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[qpms.git] / notes / Scattering and Shit.lyx
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1 #LyX 2.1 created this file. For more info see http://www.lyx.org/
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93 \newcommand{\vect}[1]{\mathbf{#1}}
94 \end_inset
97 \begin_inset FormulaMacro
98 \newcommand{\ud}{\mathrm{d}}
99 \end_inset
102 \end_layout
104 \begin_layout Title
105 Electromagnetic multiple scattering, spherical waves and ****
106 \end_layout
108 \begin_layout Author
109 Marek Nečada
110 \end_layout
112 \begin_layout Chapter
113 Zillion conventions for spherical vector waves
114 \end_layout
116 \begin_layout Section
117 Legendre polynomials and spherical harmonics: messy from the very beginning
118 \end_layout
120 \begin_layout Standard
121 \begin_inset Marginal
122 status open
124 \begin_layout Plain Layout
125 FIXME check the Condon-Shortley phases.
126 \end_layout
128 \end_inset
131 \end_layout
133 \begin_layout Standard
134 Associated Legendre polynomial of degree 
135 \begin_inset Formula $l\ge0$
136 \end_inset
138  and order 
139 \begin_inset Formula $m,$
140 \end_inset
143 \begin_inset Formula $l\ge m\ge-l$
144 \end_inset
146 , is given by the recursive relation
147 \begin_inset Formula 
149 P_{l}^{-m}=\underbrace{\left(-1\right)^{m}}_{\mbox{Condon-Shortley phase}}\frac{1}{2^{l}l!}\left(1-x^{2}\right)^{m/2}\frac{\ud^{l+m}}{\ud x^{l+m}}\left(x^{2}-1\right)^{l}.
152 \end_inset
154 There is a relation between the positive and negative orders,
155 \end_layout
157 \begin_layout Standard
158 \begin_inset Formula 
160 P_{l}^{-m}=\underbrace{\left(-1\right)^{m}}_{\mbox{C.-S. p.}}\frac{\left(l-m\right)!}{\left(l+m\right)!}P_{l}^{m}\left(\cos\theta\right),\quad m\ge0.
163 \end_inset
165 The index 
166 \begin_inset Formula $l$
167 \end_inset
169  (in certain notations, it is often 
170 \begin_inset Formula $n$
171 \end_inset
173 ) is called 
174 \emph on
175 degree
176 \emph default
177 , index 
178 \begin_inset Formula $m$
179 \end_inset
181  is the 
182 \emph on
183 order
184 \emph default
186  These two terms are then transitively used for all the object which build
187  on the associated Legendre polynomials, i.e.
188  spherical harmonics, vector spherical harmonics, spherical waves etc.
189 \end_layout
191 \begin_layout Subsection
192 Kristensson 
193 \end_layout
195 \begin_layout Standard
196 Kristensson uses the Condon-Shortley phase, so (sect.
197  [K]D.2)
198 \end_layout
200 \begin_layout Standard
201 \begin_inset Formula 
203 Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)=\left(-1\right)^{m}\sqrt{\frac{2l+1}{4\pi}\frac{\left(l-m\right)!}{\left(l+m\right)!}}P_{l}^{m}\left(\cos\theta\right)e^{im\phi}
206 \end_inset
209 \begin_inset Formula 
211 Y_{lm}^{\dagger}\left(\hat{\vect r}\right)=Y_{lm}^{*}\left(\hat{\vect r}\right)
214 \end_inset
217 \begin_inset Formula 
219 Y_{l,-m}\left(\hat{\vect r}\right)=\left(-1\right)^{m}Y_{lm}^{\dagger}\left(\hat{\vect r}\right)
222 \end_inset
225 \end_layout
227 \begin_layout Standard
228 Orthonormality:
229 \begin_inset Formula 
231 \int Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)Y_{l'm'}^{\dagger}\left(\hat{\vect r}\right)\,\ud\Omega=\delta_{ll'}\delta_{mm'}
234 \end_inset
237 \end_layout
239 \begin_layout Section
240 Pi and tau
241 \end_layout
243 \begin_layout Subsection
245 \begin_inset CommandInset label
246 LatexCommand label
247 name "sub:Xu pitau"
249 \end_inset
252 \end_layout
254 \begin_layout Standard
255 As in (37)
256 \end_layout
258 \begin_layout Standard
259 \begin_inset Formula 
260 \begin{eqnarray*}
261 \pi_{mn}\left(\cos\theta\right) & = & \frac{m}{\sin\theta}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)\\
262 \tau_{mn}\left(\cos\theta\right) & = & \frac{\ud}{\ud\theta}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)=-\left(\sin\theta\right)\frac{\ud P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)}{\ud\left(\cos\theta\right)}
263 \end{eqnarray*}
265 \end_inset
268 \end_layout
270 \begin_layout Standard
271 The expressions 
272 \begin_inset Formula $\left(\sin\theta\right)^{-1}$
273 \end_inset
275  and 
276 \begin_inset Formula $\frac{\ud P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)}{\ud\left(\cos\theta\right)}$
277 \end_inset
279  are singular for 
280 \begin_inset Formula $\cos\theta=\pm1$
281 \end_inset
283 , the limits 
284 \begin_inset Formula $\tau_{mn}\left(\pm1\right),\pi_{mn}\left(\pm1\right)$
285 \end_inset
287  however exist.
288  Labeling 
289 \begin_inset Formula $x\equiv\cos\theta$
290 \end_inset
293 \begin_inset Formula $\sqrt{\left(1+x\right)\left(1-x\right)}=\sqrt{1-x^{2}}\equiv\sin\theta$
294 \end_inset
296  and using the asymptotic expression (DLMF 14.8.2) we obtain that the limits
297  are nonzero only for 
298 \begin_inset Formula $m=\pm1$
299 \end_inset
301  and
302 \begin_inset Formula 
303 \begin{eqnarray*}
304 \pi_{1\nu}(+1-) & = & CS\frac{\nu\left(\nu+1\right)}{2}\\
305 \tau_{1\nu}(+1-) & = & CS\frac{\nu\left(\nu+1\right)}{2}
306 \end{eqnarray*}
308 \end_inset
310 and using the parity property 
311 \begin_inset Formula $P_{n}^{m}\left(-x\right)=\left(-1\right)^{m+n}P_{n}^{m}\left(x\right)$
312 \end_inset
315 \begin_inset Formula 
316 \begin{eqnarray*}
317 \pi_{1\nu}(-1+) & = & -CS\left(-1\right)^{\nu}\frac{\nu\left(\nu+1\right)}{2}\\
318 \tau_{1\nu}(-1+) & = & CS\left(-1\right)^{\nu}\frac{\nu\left(\nu+1\right)}{2}
319 \end{eqnarray*}
321 \end_inset
323 For 
324 \begin_inset Formula $m=1$
325 \end_inset
327 , we simply use the relation 
328 \begin_inset Formula $P_{n}^{-m}=\left(CS\right)^{m}P_{n}^{m}\frac{\left(n-m\right)!}{\left(n+m\right)!}$
329 \end_inset
331  to get
332 \begin_inset Formula 
333 \begin{eqnarray*}
334 \pi_{-1\nu}(+1-) & = & \frac{CS}{2}\\
335 \tau_{-1\nu}(+1-) & = & -\frac{CS}{2}\\
336 \pi_{-1\nu}(-1+) & = & -\left(-1\right)^{\nu}\frac{CS}{2}\\
337 \tau_{-1\nu}(-1+) & = & -\left(-1\right)^{\nu}\frac{CS}{2}
338 \end{eqnarray*}
340 \end_inset
342 where 
343 \begin_inset Formula $CS$
344 \end_inset
346  is 
347 \begin_inset Formula $-1$
348 \end_inset
350  if the Condon-Shortley phase is employed on the level of Legendre polynomials,
351  1 otherwise.
352 \end_layout
354 \begin_layout Subsection
355 Taylor
356 \end_layout
358 \begin_layout Standard
359 \begin_inset Formula 
360 \begin{eqnarray*}
361 \tilde{\pi}_{mn}\left(\cos\theta\right) & = & \sqrt{\frac{2n+1}{4\pi}\frac{\left(n-m\right)!}{\left(n+m\right)!}}\frac{m}{\sin\theta}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)\\
362 \tilde{\tau}_{mn}\left(\cos\theta\right) & = & \sqrt{\frac{2n+1}{4\pi}\frac{\left(n-m\right)!}{\left(n+m\right)!}}\frac{\ud}{\ud\theta}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)
363 \end{eqnarray*}
365 \end_inset
368 \end_layout
370 \begin_layout Standard
371 The limiting expressions are obtained simply by multiplying the expressions
372  from sec.
374 \begin_inset CommandInset ref
375 LatexCommand ref
376 reference "sub:Xu pitau"
378 \end_inset
380  by the normalisation factor,
381 \begin_inset Formula 
382 \begin{eqnarray*}
383 \tilde{\pi}_{1\nu}(+1-) & = & CS\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}\\
384 \tilde{\tau}_{1\nu}(+1-) & = & CS\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}\\
385 \tilde{\pi}_{1\nu}(-1+) & = & -CS\left(-1\right)^{\nu}\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}\\
386 \tilde{\tau}_{1\nu}(-1+) & = & CS\left(-1\right)^{\nu}\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}
387 \end{eqnarray*}
389 \end_inset
392 \begin_inset Formula 
393 \begin{eqnarray*}
394 \tilde{\pi}_{-1\nu}(+1-) & = & CS\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}\\
395 \tilde{\tau}_{-1\nu}(+1-) & = & -CS\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}}{2}\\
396 \tilde{\pi}_{-1\nu}(-1+) & = & -CS\left(-1\right)^{\nu}\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}\left(\nu+2\right)}{2}\\
397 \tilde{\tau}_{-1\nu}(-1+) & = & -CS\left(-1\right)^{\nu}\sqrt{\frac{2\nu+1}{4\pi}}\frac{\sqrt{\nu\left(\nu+1\right)}\left(\nu+2\right)}{2}
398 \end{eqnarray*}
400 \end_inset
402 i.e.
403  the expressions for 
404 \begin_inset Formula $m=-1$
405 \end_inset
407  are the same as for 
408 \begin_inset Formula $m=1$
409 \end_inset
411  except for the sign if Condon-Shortley phase is used on the Legendre polynomial
412  level.
413 \end_layout
415 \begin_layout Section
416 Vector spherical harmonics (?)
417 \end_layout
419 \begin_layout Subsection
420 Kristensson
421 \end_layout
423 \begin_layout Standard
424 Original formulation, sect.
425  [K]D.3.3
426 \end_layout
428 \begin_layout Standard
429 \begin_inset Formula 
430 \begin{eqnarray}
431 \vect A_{1lm}\left(\hat{\vect r}\right) & = & \frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\left(\hat{\vect{\theta}}\frac{1}{\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\phi}Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)-\hat{\vect{\phi}}\frac{\partial}{\partial\theta}Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)\right)\nonumber \\
432  & = & \frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\nabla\times\left(\vect rY_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)\right)\nonumber \\
433 \vect A_{2lm}\left(\hat{\vect r}\right) & = & \frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\left(\hat{\vect{\theta}}\frac{\partial}{\partial\phi}Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)-\hat{\vect{\phi}}\frac{1}{\sin\theta}\frac{\partial}{\partial\theta}Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)\right)\label{eq:vector spherical harmonics Kristensson}\\
434  & = & \frac{1}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}r\nabla Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)\nonumber \\
435 \vect A_{3lm}\left(\hat{\vect r}\right) & = & \hat{\vect r}Y_{lm}\left(\hat{\vect r}\right)\nonumber 
436 \end{eqnarray}
438 \end_inset
440 Normalisation:
441 \begin_inset Formula 
443 \int\vect A_{n}\left(\hat{\vect r}\right)\cdot\vect A_{n'}^{\dagger}\left(\hat{\vect r}\right)\,\ud\Omega=\delta_{nn'}
446 \end_inset
448 Here 
449 \begin_inset Formula $\mbox{ }^{\dagger}$
450 \end_inset
452  means just complex conjugate, apparently (see footnote on p.
453  89).
454 \end_layout
456 \begin_layout Subsection
457 Jackson
458 \end_layout
460 \begin_layout Standard
461 \begin_inset CommandInset citation
462 LatexCommand cite
463 after "(9.101)"
464 key "jackson_classical_1998"
466 \end_inset
469 \begin_inset Formula 
471 \vect X_{lm}(\theta,\phi)=\frac{1}{\sqrt{l(l+1)}}\vect LY_{lm}(\theta,\phi)
474 \end_inset
476 where 
477 \begin_inset CommandInset citation
478 LatexCommand cite
479 after "(9.119)"
480 key "jackson_classical_1998"
482 \end_inset
485 \begin_inset Formula 
487 \vect L=\frac{1}{i}\left(\vect r\times\vect{\nabla}\right)
490 \end_inset
492 for its expression in spherical coordinates and other properties check Jackson's
493  book around the definitions.
494 \end_layout
496 \begin_layout Standard
497 Normalisation 
498 \begin_inset CommandInset citation
499 LatexCommand cite
500 after "(9.120)"
501 key "jackson_classical_1998"
503 \end_inset
506 \begin_inset Formula 
508 \int\vect X_{l'm'}^{*}\cdot\vect X_{lm}\,\ud\Omega=\delta_{ll'}\delta_{mm'}
511 \end_inset
514 \end_layout
516 \begin_layout Standard
517 Local sum rule 
518 \begin_inset CommandInset citation
519 LatexCommand cite
520 after "(9.153)"
521 key "jackson_classical_1998"
523 \end_inset
526 \begin_inset Formula 
528 \sum_{m=-l}^{l}\left|\vect X_{lm}(\theta,\phi)^{2}\right|=\frac{2l+1}{4\pi}
531 \end_inset
534 \end_layout
536 \begin_layout Section
537 Spherical Bessel functions
538 \begin_inset CommandInset label
539 LatexCommand label
540 name "sec:Spherical-Bessel-functions"
542 \end_inset
545 \end_layout
547 \begin_layout Standard
549  [DLMF] §10.47–60.
550 \end_layout
552 \begin_layout Standard
553 The radial dependence of spherical vector waves is given by the spherical
554  Bessel functions and their first derivatives.
555  Commonly, the following notation is adopted
556 \begin_inset Formula 
557 \begin{eqnarray*}
558 z_{n}^{(1)}(x) & = & j_{n}(x),\\
559 z_{n}^{(2)}(x) & = & y_{n}(x),\\
560 z_{n}^{(3)}(x) & = & h_{n}^{(1)}(x)=j_{n}(x)+iy_{n}(x),\\
561 z_{n}^{(4)}(x) & = & h_{n}^{(2)}(x)=j_{n}(x)-iy_{n}(x).
562 \end{eqnarray*}
564 \end_inset
566 Here, 
567 \begin_inset Formula $j_{n}$
568 \end_inset
570  is the spherical Bessel function of first kind (regular), 
571 \begin_inset Formula $y_{j}$
572 \end_inset
574  is the spherical Bessel function of second kind (singular), and 
575 \begin_inset Formula $h_{n}^{(1)},h_{n}^{(2)}$
576 \end_inset
578  are the Hankel functions a.k.a.
579  spherical Bessel functions of third kind.
580  In spherical vector waves, 
581 \begin_inset Formula $j_{n}$
582 \end_inset
584  corresponds to regular waves, 
585 \begin_inset Formula $h^{(1)}$
586 \end_inset
588  corresponds (by the usual convention) to outgoing waves, and 
589 \begin_inset Formula $h^{(2)}$
590 \end_inset
592  corresponds to incoming waves.
593  To describe scattering, we need two sets of waves with two different types
594  of spherical Bessel functions 
595 \begin_inset Formula $z_{n}^{(J)}$
596 \end_inset
599  Most common choice is 
600 \begin_inset Formula $J=1,3$
601 \end_inset
603 , because if we decompose the field into spherical waves centered at 
604 \begin_inset Formula $\vect r_{0}$
605 \end_inset
607 , the field produced by other sources (e.g.
608  spherical waves from other scatterers or a plane wave) is always regular
609  at 
610 \begin_inset Formula $\vect r_{0}$
611 \end_inset
614  Second choice which makes a bit of sense is 
615 \begin_inset Formula $J=3,4$
616 \end_inset
618  as it leads to a nice expression for the energy transport.
619 \end_layout
621 \begin_layout Subsection
622 Limiting Forms
623 \end_layout
625 \begin_layout Standard
626 [DLMF] §10.52:
627 \end_layout
629 \begin_layout Subsection
630 \begin_inset Formula $z\to0$
631 \end_inset
634 \end_layout
636 \begin_layout Standard
637 \begin_inset Formula 
638 \begin{eqnarray*}
639 j_{n}(z) & \sim & z^{n}/(2n+1)!!\\
640 h_{n}^{(1)}(z)\sim iy(z) & \sim & -i\left(2n+1\right)!!/z^{n+1}
641 \end{eqnarray*}
643 \end_inset
646 \end_layout
648 \begin_layout Section
649 Spherical vector waves
650 \end_layout
652 \begin_layout Standard
653 TODO 
654 \begin_inset Formula $M,N,\psi,\chi,\widetilde{M},\widetilde{N},u,v,w,\dots$
655 \end_inset
657 , sine/cosine convention (B&H), ...
658 \end_layout
660 \begin_layout Standard
661 There are two mutually orthogonal types of divergence-free (everywhere except
662  in the origin for singular waves) spherical vector waves, which I call
663  electric and magnetic, given by the type of multipole source to which they
664  correspond.
665  This is another distinction than the regular/singular/ingoing/outgoing
666  waves given by the type of the radial dependence (cf.
667  section 
668 \begin_inset CommandInset ref
669 LatexCommand ref
670 reference "sec:Spherical-Bessel-functions"
672 \end_inset
675  Oscillating electric current in a tiny rod parallel to its axis will generate
676  electric dipole waves (net dipole moment of magnetic current is zero) moment
677  , whereas oscillating electric current in a tiny circular loop will generate
678  magnetic dipole waves (net dipole moment of electric current is zero).
679 \end_layout
681 \begin_layout Standard
682 In the usual cases we encounter, the part described by the magnetic waves
683  is pretty small.
684 \end_layout
686 \begin_layout Standard
687 The expression with Bessel function derivatives appearing below in the electric
688  waves can be rewritten using (DLMF 10.51.2)
689 \begin_inset Formula 
691 \frac{1}{kr}\frac{\ud\left(kr\,z_{n}^{j}\left(kr\right)\right)}{\ud(kr)}=\frac{\ud z_{n}^{j}\left(kr\right)}{\ud(kr)}+\frac{z_{n}^{j}\left(kr\right)}{kr}=z_{n-1}^{j}\left(kr\right)-n\frac{z_{n}^{j}\left(kr\right)}{kr}.
694 \end_inset
697 \end_layout
699 \begin_layout Subsection
700 Taylor
701 \end_layout
703 \begin_layout Standard
704 Definition [T](2.40); 
705 \begin_inset Formula $\widetilde{\vect N}_{mn}^{(j)},\widetilde{\vect M}_{mn}^{(j)}$
706 \end_inset
708  are the electric and magnetic waves, respectively:
709 \end_layout
711 \begin_layout Standard
712 \begin_inset Formula 
713 \begin{eqnarray*}
714 \widetilde{\vect N}_{mn}^{(j)} & = & \frac{n(n+1)}{kr}\sqrt{\frac{2n+1}{4\pi}\frac{\left(n-m\right)!}{\left(n+m\right)!}}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)e^{im\phi}z_{n}^{j}\left(kr\right)\hat{\vect r}\\
715  &  & +\left[\tilde{\tau}_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\theta}}+i\tilde{\pi}_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\phi}}\right]e^{im\phi}\frac{1}{kr}\frac{\ud\left(kr\,z_{n}^{j}\left(kr\right)\right)}{\ud(kr)}\\
716 \widetilde{\vect M}_{mn}^{(j)} & = & \left[i\tilde{\pi}_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\theta}}-\tilde{\tau}_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\phi}}\right]e^{im\phi}z_{n}^{j}\left(kr\right)
717 \end{eqnarray*}
719 \end_inset
722 \end_layout
724 \begin_layout Subsection
726 \end_layout
728 \begin_layout Standard
729 are the electric and magnetic waves, respectively:
730 \end_layout
732 \begin_layout Standard
733 \begin_inset Formula 
734 \begin{eqnarray*}
735 \vect N_{mn}^{(j)} & = & \frac{n(n+1)}{kr}P_{n}^{m}\left(\cos\theta\right)e^{im\phi}z_{n}^{j}\left(kr\right)\hat{\vect r}\\
736  &  & +\left[\tau_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\theta}}+i\pi_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\phi}}\right]e^{im\phi}\frac{1}{kr}\frac{\ud\left(kr\,z_{n}^{j}\left(kr\right)\right)}{\ud(kr)}\\
737 \vect M_{mn}^{(j)} & = & \left[i\pi_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\theta}}-\tau_{mn}\left(\cos\theta\right)\hat{\vect{\phi}}\right]e^{im\phi}z_{n}^{j}\left(kr\right)
738 \end{eqnarray*}
740 \end_inset
743 \end_layout
745 \begin_layout Subsection
746 Kristensson
747 \end_layout
749 \begin_layout Standard
750 Definition [K](2.4.6); 
751 \begin_inset Formula $\vect u_{\tau lm},\vect v_{\tau lm},\vect w_{\tau lm}$
752 \end_inset
754  are the waves with 
755 \begin_inset Formula $j=3,1,4$
756 \end_inset
758  respectively, i.e.
759  outgoing, regular and incoming waves.
760  The first index distinguishes between the electric (
761 \begin_inset Formula $\tau=2$
762 \end_inset
764 ) and magnetic (
765 \begin_inset Formula $\tau=1$
766 \end_inset
769  Kristensson uses a multiindex 
770 \begin_inset Formula $n\equiv(\tau,l,m)$
771 \end_inset
773  to simlify the notation.
774 \begin_inset Formula 
775 \begin{eqnarray*}
776 \left(\vect{u/v/w}\right)_{2lm} & = & \frac{1}{kr}\frac{\ud\left(kr\,z_{l}^{(j)}\left(kr\right)\right)}{\ud\,kr}\vect A_{2lm}\left(\hat{\vect r}\right)+\sqrt{l\left(l+1\right)}\frac{z_{l}^{(j)}(kr)}{kr}\vect A_{3lm}\left(\hat{\vect r}\right)\\
777 \left(\vect{u/v/w}\right)_{1lm} & = & z_{l}^{(j)}\left(kr\right)\vect A_{1lm}\left(\hat{\vect r}\right)
778 \end{eqnarray*}
780 \end_inset
783 \end_layout
785 \begin_layout Subsection
786 Kristensson vs.
787  Xu
788 \end_layout
790 \begin_layout Standard
791 As in 
792 \begin_inset CommandInset citation
793 LatexCommand cite
794 after "eq. (36)"
795 key "xu_calculation_1996"
797 \end_inset
799  with unnormalised Legendre polynomials:
800 \begin_inset Formula 
801 \begin{eqnarray*}
802 \left(\vect{u/v/w}\right)_{1lm} & = & \left(\mbox{CS}\right)^{m}\sqrt{\frac{2l+1}{4\pi}\frac{\left(l-m\right)!}{\left(l+m\right)!}}\frac{\vect N_{ml}^{(3/1/4)}}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\\
803 \left(\vect{u/v/w}\right)_{1lm} & = & \left(\mbox{CS}\right)^{m}\sqrt{\frac{2l+1}{4\pi}\frac{\left(l-m\right)!}{\left(l+m\right)!}}\frac{\vect M_{ml}^{(3/1/4)}}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}
804 \end{eqnarray*}
806 \end_inset
808 where CS is 
809 \begin_inset Formula $-1$
810 \end_inset
812  in Kristensson's text.
813  N.B.
814  be careful about the translation coefficients and 
815 \begin_inset CommandInset citation
816 LatexCommand cite
817 after "eq. (81)"
818 key "xu_calculation_1996"
820 \end_inset
822 , Xu's text is a bit confusing.
823 \end_layout
825 \begin_layout Subsection
826 Relation between Kristensson and Taylor
827 \begin_inset CommandInset label
828 LatexCommand label
829 name "sub:Kristensson-v-Taylor"
831 \end_inset
834 \end_layout
836 \begin_layout Standard
837 Kristensson's and Taylor's VSWFs seem to differ only by an 
838 \begin_inset Formula $l$
839 \end_inset
841 -dependent normalization factor, and notation of course (n.b.
842  the inverse index order)
843 \begin_inset Formula 
844 \begin{eqnarray*}
845 \left(\vect{u/v/w}\right)_{2lm} & = & \frac{\widetilde{\vect N}_{ml}^{(3/1/4)}}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}\\
846 \left(\vect{u/v/w}\right)_{1lm} & = & \frac{\widetilde{\vect M}_{ml}^{(3/1/4)}}{\sqrt{l\left(l+1\right)}}
847 \end{eqnarray*}
849 \end_inset
852 \end_layout
854 \begin_layout Section
855 Plane wave expansion
856 \end_layout
858 \begin_layout Subsection
859 Taylor
860 \end_layout
862 \begin_layout Standard
863 \begin_inset Formula $x$
864 \end_inset
866 -polarised, 
867 \begin_inset Formula $z$
868 \end_inset
870 -propagating plane wave, 
871 \begin_inset Formula $\vect E=E_{0}\hat{\vect x}e^{i\vect k\cdot\hat{\vect z}}$
872 \end_inset
874  (CHECK):
875 \begin_inset Formula 
876 \begin{eqnarray*}
877 \vect E & = & -i\left(p_{mn}\widetilde{\vect N}_{mn}^{(1)}+q_{mn}\widetilde{\vect M}_{mn}^{(1)}\right)\\
878 p_{mn} & = & E_{0}\frac{4\pi i^{n}}{n(n+1)}\tilde{\tau}_{mn}(1)\\
879 q_{mn} & = & E_{0}\frac{4\pi i^{n}}{n(n+1)}\tilde{\pi}_{mn}(1)
880 \end{eqnarray*}
882 \end_inset
884 while it can be shown that
885 \begin_inset Formula 
886 \begin{eqnarray*}
887 \tilde{\pi}_{mn}(1) & = & -\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\left(2n+1\right)\left(n\left(n+1\right)\right)}{4\pi}}\left(\delta_{m,1}+\delta_{m,-1}\right)\\
888 \tilde{\tau}_{mn}(1) & = & -\frac{1}{2}\sqrt{\frac{\left(2n+1\right)\left(n\left(n+1\right)\right)}{4\pi}}\left(\delta_{m,1}-\delta_{m,-1}\right)
889 \end{eqnarray*}
891 \end_inset
894 \end_layout
896 \begin_layout Subsection
897 Kristensson
898 \end_layout
900 \begin_layout Standard
901 \begin_inset Formula $x$
902 \end_inset
904 -polarised, 
905 \begin_inset Formula $z$
906 \end_inset
908 -propagating plane wave, 
909 \begin_inset Formula $\vect E=E_{0}\hat{\vect x}e^{i\vect k\cdot\hat{\vect z}}$
910 \end_inset
912  (CHECK, ):
913 \begin_inset Formula 
915 \vect E=\sum_{n}a_{n}\vect v_{n}
918 \end_inset
921 \begin_inset Formula 
922 \begin{eqnarray*}
923 a_{1lm} & = & E_{0}i^{l+1}\sqrt{\left(2l+1\right)\pi}\left(\delta_{m,1}+\delta_{m,-1}\right)\\
924 a_{2lm} & = & E_{0}i^{l+1}\sqrt{\left(2l+1\right)\pi}\left(\delta_{m,1}+\delta_{m,-1}\right)
925 \end{eqnarray*}
927 \end_inset
930 \end_layout
932 \begin_layout Section
933 Radiated energy
934 \end_layout
936 \begin_layout Standard
937 In this section I summarize the formulae for power 
938 \begin_inset Formula $P$
939 \end_inset
941  radiated from the system.
942  For an absorbing scatterer, this should be negative (n.b.
943  sign conventions can be sometimes confusing).
944  If the system is excited by a plane wave with intensity 
945 \begin_inset Formula $E_{0}$
946 \end_inset
948 , this can be used to calculate the absorption cross section (TODO check
949  if it should be multiplied by the 2),
950 \begin_inset Formula 
952 \sigma_{\mathrm{abs}}=-\frac{2P}{\varepsilon\varepsilon_{0}\left|E_{0}\right|^{2}}.
955 \end_inset
958 \end_layout
960 \begin_layout Subsection
961 Kristensson
962 \begin_inset CommandInset label
963 LatexCommand label
964 name "sub:Radiated enenergy-Kristensson"
966 \end_inset
969 \end_layout
971 \begin_layout Standard
972 Sect.
973  [K]2.6.2; here this form of expansion is assumed:
974 \begin_inset Formula 
975 \begin{equation}
976 \vect E\left(\vect r,\omega\right)=k\sqrt{\eta_{0}\eta}\sum_{n}\left(a_{n}\vect v_{n}\left(k\vect r\right)+f_{n}\vect u_{n}\left(k\vect r\right)\right).\label{eq:power-Kristensson-E}
977 \end{equation}
979 \end_inset
981 Here 
982 \begin_inset Formula $\eta_{0}=\sqrt{\mu_{0}/\varepsilon_{0}}$
983 \end_inset
985  is the wave impedance of free space and 
986 \begin_inset Formula $\eta=\sqrt{\mu/\varepsilon}$
987 \end_inset
989  is the relative wave impedance of the medium.
991 \end_layout
993 \begin_layout Standard
994 The radiated power is then (2.28): 
995 \begin_inset Formula 
997 P=\frac{1}{2}\sum_{n}\left(\left|f_{n}\right|^{2}+\Re\left(f_{n}a_{n}^{*}\right)\right).
1000 \end_inset
1002 The first term is obviously the power radiated away by the outgoing waves.
1003  The second term must then be minus the power sucked by the scatterer from
1004  the exciting wave.
1005  If the exciting wave is plane, it gives us the extinction cross section
1006 \begin_inset Formula 
1008 \sigma_{\mathrm{tot}}=-\frac{\sum_{n}\Re\left(f_{n}a_{n}^{*}\right)}{\varepsilon\varepsilon_{0}\left|E_{0}\right|^{2}}
1011 \end_inset
1014 \end_layout
1016 \begin_layout Subsection
1017 Taylor
1018 \end_layout
1020 \begin_layout Standard
1021 Here I derive the radiated power in Taylor's convention by applying the
1022  relations from subsection 
1023 \begin_inset CommandInset ref
1024 LatexCommand ref
1025 reference "sub:Kristensson-v-Taylor"
1027 \end_inset
1029  to the Kristensson's formulae (sect.
1031 \begin_inset CommandInset ref
1032 LatexCommand ref
1033 reference "sub:Radiated enenergy-Kristensson"
1035 \end_inset
1038 \end_layout
1040 \begin_layout Standard
1041 Assume the external field decomposed as (here I use tildes even for the
1042  expansion coefficients in order to avoid confusion with the 
1043 \begin_inset Formula $a_{n}$
1044 \end_inset
1046  in 
1047 \begin_inset CommandInset ref
1048 LatexCommand eqref
1049 reference "eq:power-Kristensson-E"
1051 \end_inset
1054 \begin_inset Formula 
1056 \vect E\left(\vect r,\omega\right)=\sum_{mn}\left[-i\left(\tilde{p}_{mn}\vect{\widetilde{N}}_{mn}^{(1)}+\tilde{q}_{mn}\widetilde{\vect M}_{mn}^{(1)}\right)+i\left(\tilde{a}_{mn}\widetilde{\vect N}_{mn}^{(3)}+\tilde{b}_{mn}\widetilde{\vect M}_{mn}^{(3)}\right)\right]
1059 \end_inset
1061 (there is minus between the regular and outgoing part!).
1062  The coefficients are related to those from 
1063 \begin_inset CommandInset ref
1064 LatexCommand eqref
1065 reference "eq:power-Kristensson-E"
1067 \end_inset
1069  as 
1070 \begin_inset Formula 
1072 \tilde{p}_{mn}=\frac{k\sqrt{\eta_{0}\eta}}{-i\sqrt{n(n+1)}}a_{2nm},\quad\tilde{q}_{mn}=\frac{k\sqrt{\eta_{0}\eta}}{-i\sqrt{n(n+1)}}a_{1nm},
1075 \end_inset
1078 \begin_inset Formula 
1080 \tilde{a}_{mn}=\frac{k\sqrt{\eta_{0}\eta}}{i\sqrt{n(n+1)}}f_{2nm},\quad\tilde{b}_{mn}=\frac{k\sqrt{\eta_{0}\eta}}{i\sqrt{n(n+1)}}f_{1nm}.
1083 \end_inset
1085 The radiated power is then
1086 \begin_inset Formula 
1088 P=\frac{1}{2}\sum_{m,n}\frac{n\left(n+1\right)}{k^{2}\eta_{0}\eta}\left(\left|a_{mn}\right|^{2}+\left|b_{mn}\right|^{2}-\Re\left(a_{mn}p_{mn}^{*}\right)-\Re\left(b_{mn}q_{mn}^{*}\right)\right).
1091 \end_inset
1093 If the exciting wave is a plane wave, the extinction cross section is
1094 \begin_inset Formula 
1096 \sigma_{\mathrm{tot}}=\frac{1}{\varepsilon\varepsilon_{0}\left|E_{0}\right|^{2}k^{2}\eta_{0}\eta}\sum_{m,n}n(n+1)\left(\Re\left(a_{mn}p_{mn}^{*}\right)+\Re\left(b_{mn}q_{mn}^{*}\right)\right)
1099 \end_inset
1102 \end_layout
1104 \begin_layout Subsection
1105 Jackson
1106 \end_layout
1108 \begin_layout Standard
1109 \begin_inset CommandInset citation
1110 LatexCommand cite
1111 after "(9.155)"
1112 key "jackson_classical_1998"
1114 \end_inset
1117 \begin_inset Formula 
1119 P=\frac{Z_{0}}{2k^{2}}\sum_{l,m}\left[\left|a_{E}(l,m)\right|^{2}+\left|a_{M}(l,m)\right|^{2}\right]
1122 \end_inset
1125 \end_layout
1127 \begin_layout Section
1128 Limit solutions
1129 \end_layout
1131 \begin_layout Subsection
1132 Far-field asymptotic solution
1133 \end_layout
1135 \begin_layout Standard
1136 TODO start from 
1137 \begin_inset CommandInset citation
1138 LatexCommand cite
1139 after "(A7)"
1140 key "pustovit_plasmon-mediated_2010"
1142 \end_inset
1144  and Jackson (9.169) and around.
1145 \end_layout
1147 \begin_layout Subsection
1148 Near field limit
1149 \end_layout
1151 \begin_layout Chapter
1152 Single particle scattering and Mie theory
1153 \end_layout
1155 \begin_layout Standard
1156 The basic idea is simple.
1157  For an exciting spherical wave (usually the regular wave in whatever convention
1158 ) of a given frequency 
1159 \begin_inset Formula $\omega$
1160 \end_inset
1162 , type 
1163 \begin_inset Formula $\zeta'$
1164 \end_inset
1166  (electric or magnetic), degree 
1167 \begin_inset Formula $l'$
1168 \end_inset
1170  and order 
1171 \begin_inset Formula $m'$
1172 \end_inset
1174 , the particle responds with waves from the complementary set (e.g.
1175  outgoing waves), with the same frequency 
1176 \begin_inset Formula $\omega$
1177 \end_inset
1179 , but any type 
1180 \begin_inset Formula $\zeta$
1181 \end_inset
1183 , degree 
1184 \begin_inset Formula $l$
1185 \end_inset
1187  and order 
1188 \begin_inset Formula $m$
1189 \end_inset
1191 , in a way that the Maxwell's equations are satisfied, with the coefficients
1193 \begin_inset Formula $T_{l,m;l',m'}^{\zeta,\zeta'}(\omega)$
1194 \end_inset
1197  This yields one row in the scattering matrix (often called the 
1198 \begin_inset Formula $T$
1199 \end_inset
1201 -matrix) 
1202 \begin_inset Formula $T(\omega)$
1203 \end_inset
1205 , which fully characterizes the scattering properties of the particle (in
1206  the linear regime, of course).
1207  Analytical expression for the matrix is known for spherical scatterer,
1208  otherwise it is computed numerically (using DDA, BEM or whatever).
1209  So if we have the two sets of spherical wave functions 
1210 \begin_inset Formula $\vect f_{lm}^{J_{1},\zeta}$
1211 \end_inset
1214 \begin_inset Formula $\vect f_{lm}^{J_{2},\zeta}$
1215 \end_inset
1217  and the full 
1218 \begin_inset Quotes sld
1219 \end_inset
1221 exciting
1222 \begin_inset Quotes srd
1223 \end_inset
1225  wave has electric field given as
1226 \begin_inset Formula 
1228 \vect E_{\mathrm{inc}}=\sum_{\zeta'=\mathrm{E,M}}\sum_{l',m'}c_{l'm'}^{\zeta'}\vect f_{l'm'}^{\zeta'},
1231 \end_inset
1233 the 
1234 \begin_inset Quotes sld
1235 \end_inset
1237 scattered
1238 \begin_inset Quotes srd
1239 \end_inset
1241  field will be
1242 \begin_inset Formula 
1244 \vect E_{\mathrm{scat}}=\sum_{\zeta',l',m'}\sum_{\zeta,l,m}T_{l,m;l',m'}^{\zeta,\zeta'}c_{l'm'}^{\zeta'}\vect f_{lm}^{\zeta},
1247 \end_inset
1249 and the total field around the scaterer is 
1250 \begin_inset Formula $\vect E=\vect E_{\mathrm{ext}}+\vect E_{\mathrm{scat}}$
1251 \end_inset
1254 \end_layout
1256 \begin_layout Section
1257 Mie theory – full version
1258 \end_layout
1260 \begin_layout Standard
1261 \begin_inset Formula $T$
1262 \end_inset
1264 -matrix for a spherical particle is type-, degree- and order- diagonal,
1265  that is, 
1266 \begin_inset Formula $T_{l',m';l,m}^{\zeta',\zeta}(\omega)=0$
1267 \end_inset
1269  if 
1270 \begin_inset Formula $l\ne l'$
1271 \end_inset
1274 \begin_inset Formula $m\ne m'$
1275 \end_inset
1277  or 
1278 \begin_inset Formula $\zeta\ne\zeta'$
1279 \end_inset
1282  Moreover, it does not depend on 
1283 \begin_inset Formula $m$
1284 \end_inset
1286 , so
1287 \begin_inset Formula 
1289 T_{l,m;l',m'}^{\zeta,\zeta'}(\omega)=T_{l}^{\zeta}\left(\omega\right)\delta_{\zeta'\zeta}\delta_{l'l}\delta_{m'm}
1292 \end_inset
1294 where for the usual choice 
1295 \begin_inset Formula $J_{1}=1,J_{2}=3$
1296 \end_inset
1299 \begin_inset Formula 
1300 \begin{eqnarray*}
1301 T_{l}^{E}\left(\omega\right) & = & TODO,\\
1302 T_{l}^{M}(\omega) & = & TODO.
1303 \end{eqnarray*}
1305 \end_inset
1308 \end_layout
1310 \begin_layout Section
1311 Long wave approximation for spherical nanoparticle
1312 \end_layout
1314 \begin_layout Standard
1315 TODO start from 
1316 \begin_inset CommandInset citation
1317 LatexCommand cite
1318 after "(A11)"
1319 key "pustovit_plasmon-mediated_2010"
1321 \end_inset
1323  and around.
1324 \end_layout
1326 \begin_layout Section
1327 Note on transforming T-matrix conventions
1328 \end_layout
1330 \begin_layout Standard
1331 T-matrix depends on the used conventions as well.
1332  This is not apparent for the Mie case as the T-matrix for a sphere is 
1333 \begin_inset Quotes sld
1334 \end_inset
1336 diagonal
1337 \begin_inset Quotes srd
1338 \end_inset
1341  But for other shapes, dipole incoming field can induce also higher-order
1342  multipoles in the nanoparticle, etc.
1343  The easiest way to determine the transformation properties is to write
1344  down the total scattered electric field for both conventions in the form
1345 \begin_inset Formula 
1347 \vect E_{\mathrm{scat}}=\sum_{n'}\sum_{n}T_{n'}^{n}c^{n'}\vect f_{n}=\sum_{n'}\sum_{n}\widetilde{T}_{n'}^{n}\widetilde{c}^{n'}\widetilde{\vect f}_{n}
1350 \end_inset
1352 where we merged all the indices into single multiindex 
1353 \begin_inset Formula $n$
1354 \end_inset
1356  or 
1357 \begin_inset Formula $n'$
1358 \end_inset
1361  This way of writing immediately suggest how to transform the T-matrix into
1362  the new convention if we know the transformation properties of the base
1363  waves and expansion coefficients, as it reminds the notation used in geometry
1364  – 
1365 \begin_inset Formula $c^{\alpha}$
1366 \end_inset
1368  are 
1369 \begin_inset Quotes sld
1370 \end_inset
1372 vector coordinates
1373 \begin_inset Quotes srd
1374 \end_inset
1377 \begin_inset Formula $\vect f_{\alpha}$
1378 \end_inset
1380  are 
1381 \begin_inset Quotes sld
1382 \end_inset
1384 base vectors
1385 \begin_inset Quotes srd
1386 \end_inset
1389  Obviously, T-matrix is then 
1390 \begin_inset Quotes sld
1391 \end_inset
1393 tensor of type (1,1)
1394 \begin_inset Quotes srd
1395 \end_inset
1397 , and it transforms as vector coordinates (i.e.
1398  wave expansion coefficients) in the 
1399 \begin_inset Formula $n$
1400 \end_inset
1402  (outgoing wave) indices and as form coordinates in the 
1403 \begin_inset Formula $n'$
1404 \end_inset
1406  (regular/illuminating wave) indices.
1407  Form coordinates change in the same waves as base vectors
1408 \end_layout
1410 \begin_layout Subsection
1411 Kristensson to Taylor
1412 \end_layout
1414 \begin_layout Standard
1415 For instance, let us transform between from the Kristensson's to Taylor's
1416  convention.
1417  We know that the Taylor's base vectors are 
1418 \begin_inset Quotes sld
1419 \end_inset
1421 larger
1422 \begin_inset Quotes srd
1423 \end_inset
1426 \begin_inset Formula $\widetilde{\vect N}_{ml}^{(3/1/4)}=\sqrt{l(l+1)}\left(\vect{u/v/w}\right)_{2lm}$
1427 \end_inset
1429  etc, so the coefficients must be smaller by the reciprocal factor, e.g.
1431 \begin_inset Formula $\tilde{a}_{ml}=f_{2lm}/\sqrt{l(l+1)}$
1432 \end_inset
1434  (now we assume that there are no other prefactors in the expansion of the
1435  field, they are already included in the coefficients).
1436  Then the T-matrix in the Taylor's convention (tilded) can be calculated
1437  from the T-matrix in the Kristensson's convention as
1438 \begin_inset Formula 
1440 \underbrace{\widetilde{T}_{\zeta'l'm'}^{\zeta lm}}_{\mbox{Taylor}}=\frac{\sqrt{l'(l'+1)}}{\sqrt{l(l+1)}}\underbrace{T_{\zeta'l'm'}^{\zeta lm}}_{\mbox{Krist.}}\,_{\leftarrow\mbox{illuminating}}^{\leftarrow\mbox{outgoing}}.
1443 \end_inset
1446 \end_layout
1448 \begin_layout Subsubsection
1449 scuff-tmatrix output
1450 \end_layout
1452 \begin_layout Standard
1453 Indices of the outgoing wave (without primes) come first, illuminating regular
1454  wave (with primes) second in the output files of scuff-tmatrix.
1455  It seems that it at least in the electric part, the output of scuff-tmatrix
1456  is equivalent to the Kristensson's convention.
1457  Not sure whether it is also true for the E-M cross terms.
1458 \end_layout
1460 \begin_layout Chapter
1461 Green's functions
1462 \end_layout
1464 \begin_layout Section
1465 xyz pure free-space dipole waves in terms of SVWF
1466 \end_layout
1468 \begin_layout Section
1469 Mie decomposition of Green's function for single nanoparticle
1470 \end_layout
1472 \begin_layout Chapter
1473 Translation of spherical waves: getting insane
1474 \end_layout
1476 \begin_layout Standard
1477 Cruzan's formulation, Xu's normalisation 
1478 \begin_inset CommandInset citation
1479 LatexCommand cite
1480 after "(59)"
1481 key "xu_efficient_1998"
1483 \end_inset
1486 \begin_inset Formula 
1488 B_{m,n,\mu,\nu}=\underbrace{\left(-1\right)^{-m}\frac{\left(2\nu+1\right)\left(n+m\right)!\left(\nu-\mu\right)!}{2n\left(n+1\right)\left(n-m\right)!\left(\nu+\mu\right)!}\sum_{q=1}^{Q_{max}^{-m,n,\mu,\nu}}i^{p+1}\sqrt{\left(\left(p+1\right)^{2}-\left(n-\nu\right)^{2}\right)\left(\left(n+\nu+1\right)^{2}-\left(p+1\right)^{2}\right)}b_{-m,n,\mu,\nu}^{p,p+1}}_{\mbox{(without the \ensuremath{\sum})}\equiv B_{m,n,\mu,\nu}^{q}}z_{p+1}P_{p+1}e^{i\left(\mu-m\right)\phi},
1491 \end_inset
1493 where 
1494 \begin_inset CommandInset citation
1495 LatexCommand cite
1496 after "(28,5,60,61)"
1497 key "xu_efficient_1998"
1499 \end_inset
1502 \begin_inset Formula $p\equiv n+\nu-2q$
1503 \end_inset
1506 \begin_inset Formula $Q_{max}^{-m,n,\mu,\nu}\equiv\min\left(n,\nu,\frac{n+\nu+1-\left|\mu-m\right|}{2}\right)$
1507 \end_inset
1510 \begin_inset Formula 
1512 b_{-m,n,\mu,\nu}^{p,p+1}\equiv\left(-1\right)^{\mu-m}\left(2p+3\right)\sqrt{\frac{\left(n-m\right)!\left(\nu+\mu\right)!\left(p+m-\mu+1\right)!}{\left(n+m\right)!\left(\nu-\mu\right)!\left(p-m+\mu+1\right)!}}\begin{pmatrix}n & \nu & p+1\\
1513 -m & \mu & m-\mu
1514 \end{pmatrix}\begin{pmatrix}n & \nu & p\\
1515 0 & 0 & 0
1516 \end{pmatrix}.
1519 \end_inset
1522 \end_layout
1524 \begin_layout Chapter
1525 Multiple scattering: nice linear algebra born from all the mess
1526 \end_layout
1528 \begin_layout Chapter
1529 Quantisation of quasistatic modes of a sphere
1530 \end_layout
1532 \begin_layout Standard
1533 \begin_inset CommandInset bibtex
1534 LatexCommand bibtex
1535 bibfiles "Electrodynamics"
1536 options "plain"
1538 \end_inset
1541 \end_layout
1543 \end_body
1544 \end_document