Fix missing import in finiterectlat-scatter.py
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1 #LyX 2.4 created this file. For more info see https://www.lyx.org/
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86 \begin_layout Subsection
87 Periodic systems and mode analysis
88 \begin_inset CommandInset label
89 LatexCommand label
90 name "subsec:Periodic-systems"
92 \end_inset
95 \end_layout
97 \begin_layout Standard
98 In an infinite periodic array of nanoparticles, the excitations of the nanoparti
99 cles take the quasiperiodic Bloch-wave form 
100 \begin_inset Formula 
102 \coeffs_{i\nu}=e^{i\vect k\cdot\vect R_{i}}\coeffs_{\nu}
105 \end_inset
107 (assuming the incident external field has the same periodicity, 
108 \begin_inset Formula $\coeffr_{\mathrm{ext}(i\nu)}=e^{i\vect k\cdot\vect R_{i}}p_{\mathrm{ext}\left(\nu\right)}$
109 \end_inset
111 ) where 
112 \begin_inset Formula $\nu$
113 \end_inset
115  is the index of a particle inside one unit cell and 
116 \begin_inset Formula $\vect R_{i},\vect R_{i'}\in\Lambda$
117 \end_inset
119  are the lattice vectors corresponding to the sites (labeled by multiindices
121 \begin_inset Formula $i,i'$
122 \end_inset
124 ) of a Bravais lattice 
125 \begin_inset Formula $\Lambda$
126 \end_inset
129  The multiple-scattering problem (
130 \begin_inset CommandInset ref
131 LatexCommand ref
132 reference "eq:multiple scattering per particle a"
134 \end_inset
136 ) then takes the form
137 \end_layout
139 \begin_layout Standard
140 \begin_inset Formula 
142 \coeffs_{i\nu}-T_{\nu}\sum_{(i',\nu')\ne\left(i,\nu\right)}S_{i\nu,i'\nu'}e^{i\vect k\cdot\left(\vect R_{i'}-\vect R_{i}\right)}\coeffs_{i\nu'}=T_{\nu}\coeffr_{\mathrm{ext}(i\nu)}
145 \end_inset
147 or, labeling 
148 \begin_inset Formula $W_{\nu\nu'}=\sum_{i';(i',\nu')\ne\left(i,\nu\right)}S_{i\nu,i'\nu'}e^{i\vect k\cdot\left(\vect R_{i'}-\vect R_{i}\right)}=\sum_{i';(i',\nu')\ne\left(0,\nu\right)}S_{0\nu,i'\nu'}e^{i\vect k\cdot\vect R_{i'}}$
149 \end_inset
151  and using the quasiperiodicity, 
152 \begin_inset Formula 
153 \begin{equation}
154 \sum_{\nu'}\left(\delta_{\nu\nu'}\mathbb{I}-T_{\nu}W_{\nu\nu'}\right)\coeffs_{\nu'}=T_{\nu}\coeffr_{\mathrm{ext}(\nu)},\label{eq:multiple scattering per particle a periodic}
155 \end{equation}
157 \end_inset
159 which reduces the linear problem (
160 \begin_inset CommandInset ref
161 LatexCommand ref
162 reference "eq:multiple scattering per particle a"
164 \end_inset
166 ) to interactions between particles inside single unit cell.
167  A problematic part is the evaluation of the translation operator lattice
168  sums 
169 \begin_inset Formula $W_{\nu\nu'}$
170 \end_inset
172 ; this is performed using exponentially convergent Ewald-type representations
174 \begin_inset CommandInset citation
175 LatexCommand cite
176 key "linton_lattice_2010"
177 literal "true"
179 \end_inset
182 \end_layout
184 \begin_layout Standard
185 In an infinite periodic system, a nonlossy mode supports itself without
186  external driving, i.e.
187  such mode is described by excitation coefficients 
188 \begin_inset Formula $a_{\nu}$
189 \end_inset
191  that satisfy eq.
193 \begin_inset CommandInset ref
194 LatexCommand ref
195 reference "eq:multiple scattering per particle a periodic"
197 \end_inset
199 ) with zero right-hand side.
200  That can happen if the block matrix 
201 \begin_inset Formula 
202 \begin{equation}
203 M\left(\omega,\vect k\right)=\left\{ \delta_{\nu\nu'}\mathbb{I}-T_{\nu}\left(\omega\right)W_{\nu\nu'}\left(\omega,\vect k\right)\right\} _{\nu\nu'}\label{eq:M matrix definition}
204 \end{equation}
206 \end_inset
208 from the left hand side of (
209 \begin_inset CommandInset ref
210 LatexCommand ref
211 reference "eq:multiple scattering per particle a periodic"
213 \end_inset
215 ) is singular (here we explicitly note the 
216 \begin_inset Formula $\omega,\vect k$
217 \end_inset
219  depence).
220 \end_layout
222 \begin_layout Standard
223 For lossy nanoparticles, however, perfect propagating modes will not exist
224  and 
225 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
226 \end_inset
228  will never be perfectly singular.
229  Therefore in practice, we get the bands by scanning over 
230 \begin_inset Formula $\omega,\vect k$
231 \end_inset
233  to search for 
234 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
235 \end_inset
237  which have an 
238 \begin_inset Quotes erd
239 \end_inset
241 almost zero
242 \begin_inset Quotes erd
243 \end_inset
245  singular value.
246 \end_layout
248 \begin_layout Section
249 \begin_inset ERT
250 status collapsed
252 \begin_layout Plain Layout
255 \end_layout
257 \end_inset
259 Symmetries
260 \begin_inset ERT
261 status collapsed
263 \begin_layout Plain Layout
266 \end_layout
268 \end_inset
271 \end_layout
273 \begin_layout Standard
274 \begin_inset CommandInset label
275 LatexCommand label
276 name "sm:symmetries"
278 \end_inset
281 \end_layout
283 \begin_layout Standard
284 A general overview of utilizing group theory to find lattice modes at high-symme
285 try points of the Brillouin zone can be found e.g.
286  in 
287 \begin_inset CommandInset citation
288 LatexCommand cite
289 after "chapters 10–11"
290 key "dresselhaus_group_2008"
291 literal "true"
293 \end_inset
295 ; here we use the same notation.
296 \end_layout
298 \begin_layout Standard
299 We analyse the symmetries of the system in the same VSWF representation
300  as used in the 
301 \begin_inset Formula $T$
302 \end_inset
304 -matrix formalism introduced above.
305  We are interested in the modes at the 
306 \begin_inset Formula $\Kp$
307 \end_inset
309 -point of the hexagonal lattice, which has the 
310 \begin_inset Formula $D_{3h}$
311 \end_inset
313  point symmetry.
314  The six irreducible representations (irreps) of the 
315 \begin_inset Formula $D_{3h}$
316 \end_inset
318  group are known and are available in the literature in their explicit forms.
319  In order to find and classify the modes, we need to find a decomposition
320  of the lattice mode representation 
321 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{lat.mod.}}=\Gamma^{\mathrm{equiv.}}\otimes\Gamma_{\mathrm{vec.}}$
322 \end_inset
324  into the irreps of 
325 \begin_inset Formula $D_{3h}$
326 \end_inset
329  The equivalence representation 
330 \begin_inset Formula $\Gamma^{\mathrm{equiv.}}$
331 \end_inset
333  is the 
334 \begin_inset Formula $E'$
335 \end_inset
337  representation as can be deduced from 
338 \begin_inset CommandInset citation
339 LatexCommand cite
340 after "eq. (11.19)"
341 key "dresselhaus_group_2008"
342 literal "true"
344 \end_inset
346 , eq.
347  (11.19) and the character table for 
348 \begin_inset Formula $D_{3h}$
349 \end_inset
353 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{vec.}}$
354 \end_inset
356  operates on a space spanned by the VSWFs around each nanoparticle in the
357  unit cell (the effects of point group operations on VSWFs are described
358  in 
359 \begin_inset CommandInset citation
360 LatexCommand cite
361 key "schulz_point-group_1999"
362 literal "true"
364 \end_inset
367  This space can be then decomposed into invariant subspaces of the 
368 \begin_inset Formula $D_{3h}$
369 \end_inset
371  using the projectors 
372 \begin_inset Formula $\hat{P}_{ab}^{\left(\Gamma\right)}$
373 \end_inset
375  defined by 
376 \begin_inset CommandInset citation
377 LatexCommand cite
378 after "eq. (4.28)"
379 key "dresselhaus_group_2008"
380 literal "true"
382 \end_inset
385  This way, we obtain a symmetry adapted basis 
386 \begin_inset Formula $\left\{ \vect b_{\Gamma,r,i}^{\mathrm{s.a.b.}}\right\} $
387 \end_inset
389  as linear combinations of VSWFs 
390 \begin_inset Formula $\vswfs lm{p,t}$
391 \end_inset
393  around the constituting nanoparticles (labeled 
394 \begin_inset Formula $p$
395 \end_inset
397 ), 
398 \begin_inset Formula 
400 \vect b_{\Gamma,r,i}^{\mathrm{s.a.b.}}=\sum_{l,m,p,t}U_{\Gamma,r,i}^{p,t,l,m}\vswfs lm{p,t},
403 \end_inset
405 where 
406 \begin_inset Formula $\Gamma$
407 \end_inset
409  stands for one of the six different irreps of 
410 \begin_inset Formula $D_{3h}$
411 \end_inset
414 \begin_inset Formula $r$
415 \end_inset
417  labels the different realisations of the same irrep, and the last index
419 \begin_inset Formula $i$
420 \end_inset
422  going from 1 to 
423 \begin_inset Formula $d_{\Gamma}$
424 \end_inset
426  (the dimensionality of 
427 \begin_inset Formula $\Gamma$
428 \end_inset
430 ) labels the different partners of the same given irrep.
431  The number of how many times is each irrep contained in 
432 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{lat.mod.}}$
433 \end_inset
435  (i.e.
436  the range of index 
437 \begin_inset Formula $r$
438 \end_inset
440  for given 
441 \begin_inset Formula $\Gamma$
442 \end_inset
444 ) depends on the multipole degree cutoff 
445 \begin_inset Formula $l_{\mathrm{max}}$
446 \end_inset
449 \end_layout
451 \begin_layout Standard
452 Each mode at the 
453 \begin_inset Formula $\Kp$
454 \end_inset
456 -point shall lie in the irreducible spaces of only one of the six possible
457  irreps and it can be shown via 
458 \begin_inset CommandInset citation
459 LatexCommand cite
460 after "eq. (2.51)"
461 key "dresselhaus_group_2008"
462 literal "true"
464 \end_inset
466  that, at the 
467 \begin_inset Formula $\Kp$
468 \end_inset
470 -point, the matrix 
471 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
472 \end_inset
474  defined above takes a block-diagonal form in the symmetry-adapted basis,
476 \begin_inset Formula 
478 M\left(\omega,\vect K\right)_{\Gamma,r,i;\Gamma',r',j}^{\mathrm{s.a.b.}}=\frac{\delta_{\Gamma\Gamma'}\delta_{ij}}{d_{\Gamma}}\sum_{q}M\left(\omega,\vect K\right)_{\Gamma,r,q;\Gamma',r',q}^{\mathrm{s.a.b.}}.
481 \end_inset
483 This enables us to decompose the matrix according to the irreps and to solve
484  the singular value problem in each irrep separately, as done in Fig.
486 \begin_inset CommandInset ref
487 LatexCommand ref
488 reference "smfig:dispersions"
490 \end_inset
492 (a).
493 \end_layout
495 \end_body
496 \end_document