Fix saving lists of arrays with recent versions of numpy
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bloba20c8df3ac8fe6384c2dc4b96acf7bcc2dbb1b7d
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88 \end_inset
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92 \newcommand{\ush}[2]{Y_{#1,#2}}
93 \end_inset
96 \begin_inset FormulaMacro
97 \newcommand{\svwfr}[3]{\mathbf{u}_{#1,#2}^{#3}}
98 \end_inset
101 \begin_inset FormulaMacro
102 \newcommand{\svwfs}[3]{\mathbf{v}_{#1,#2}^{#3}}
103 \end_inset
106 \begin_inset FormulaMacro
107 \newcommand{\coeffs}{a}
108 \end_inset
111 \begin_inset FormulaMacro
112 \newcommand{\coeffsi}[3]{\coeffs_{#1,#2}^{#3}}
113 \end_inset
116 \begin_inset FormulaMacro
117 \newcommand{\coeffsip}[4]{\coeffs_{#1}^{#2,#3,#4}}
118 \end_inset
121 \begin_inset FormulaMacro
122 \newcommand{\coeffr}{p}
123 \end_inset
126 \begin_inset FormulaMacro
127 \newcommand{\coeffri}[3]{p_{#1,#2}^{#3}}
128 \end_inset
131 \begin_inset FormulaMacro
132 \newcommand{\coeffrip}[4]{p_{#1}^{#2,#3,#4}}
133 \end_inset
136 \begin_inset FormulaMacro
137 \newcommand{\coeffripext}[4]{p_{\mathrm{ext}(#1)}^{#2,#3,#4}}
138 \end_inset
141 \begin_inset FormulaMacro
142 \newcommand{\transop}{S}
143 \end_inset
146 \end_layout
148 \begin_layout Section
150 \lang english
151 \begin_inset Formula $T$
152 \end_inset
154 -matrix simulations
155 \begin_inset CommandInset label
156 LatexCommand label
157 name "sec:T-matrix-simulations"
159 \end_inset
162 \end_layout
164 \begin_layout Standard
166 \lang english
167 In order to get more detailed insight into the mode structure of the lattice
168  around the lasing 
169 \begin_inset Formula $\Kp$
170 \end_inset
172 -point – most importantly, how much do the mode frequencies at the 
173 \begin_inset Formula $\Kp$
174 \end_inset
176 -points differ from the empty lattice model – we performed multiple-scattering
178 \begin_inset Formula $T$
179 \end_inset
181 -matrix simulations 
182 \begin_inset CommandInset citation
183 LatexCommand cite
184 key "mackowski_analysis_1991"
186 \end_inset
188  for an infinite lattice based on our systems' geometry.
189  We give a brief overview of this method in the subsections 
190 \begin_inset CommandInset ref
191 LatexCommand ref
192 reference "sub:The-multiple-scattering-problem"
194 \end_inset
197 \begin_inset CommandInset ref
198 LatexCommand ref
199 reference "sub:Periodic-systems"
201 \end_inset
203  below.
205 \lang finnish
206 The top advantage of the multiple-scattering 
207 \begin_inset Formula $T$
208 \end_inset
210 -matrix approach is its computational efficiency for large finite systems
211  of nanoparticles.
212  In the lattice mode analysis in this work, however, we use it here for
213  another reason, specifically the relative ease of describing symmetries
215 \begin_inset CommandInset citation
216 LatexCommand cite
217 key "schulz_point-group_1999"
219 \end_inset
222  A brief theoretical overview of the method is presented in subsections
224 \begin_inset CommandInset ref
225 LatexCommand ref
226 reference "sub:The-multiple-scattering-problem"
228 \end_inset
231 \begin_inset CommandInset ref
232 LatexCommand ref
233 reference "sub:Periodic-systems"
235 \end_inset
237  below.
238 \end_layout
240 \begin_layout Standard
241 Fig.
242  xxx(a) shows the dispersions around the 
243 \begin_inset Formula $\Kp$
244 \end_inset
246 -point for the cylindrical nanoparticles used in our experiment.
248 \lang english
249 The 
250 \begin_inset Formula $T$
251 \end_inset
253 -matrix of a single cylindrical nanoparticle was computed using the scuff-tmatri
254 x application from the SCUFF-EM suite~
255 \lang finnish
257 \begin_inset CommandInset citation
258 LatexCommand cite
259 key "SCUFF2,reid_efficient_2015"
261 \end_inset
264 \lang english
265  and the system was solved up to the 
266 \begin_inset Formula $l_{\mathrm{max}}=3$
267 \end_inset
269  (octupolar) degree of electric and magnetic spherical multipole.
270  For comparison, Fig.
271  xxx(b) shows the dispersions for a system where the cylindrical nanoparticles
272  were replaced with spherical ones with radius of 
273 \begin_inset Formula $40\,\mathrm{nm}$
274 \end_inset
276 , whose 
277 \begin_inset Formula $T$
278 \end_inset
280 -matrix was calculated semi-analytically using the Lorenz-Mie theory.
281  In both cases, we used gold with interpolated tabulated values of refraction
282  index 
283 \begin_inset CommandInset citation
284 LatexCommand cite
285 key "johnson_optical_1972"
287 \end_inset
289  for the nanoparticles and constant reffraction index of 1.52 for the background
290  medium.
291  In both cases, the diffracted orders do split into separate bands according
292  to the 
293 \lang finnish
295 \begin_inset Formula $\Kp$
296 \end_inset
298 -point
299 \lang english
300  irreducible representations (cf.
301  section 
302 \begin_inset CommandInset ref
303 LatexCommand ref
304 reference "sm:symmetries"
306 \end_inset
308 ), but the splitting is extremely weak – not exceeding 
309 \begin_inset Formula $1\,\mathrm{meV}$
310 \end_inset
312  for the spherical and even less for the cylindrical nanoparticles.
313 \end_layout
315 \begin_layout Standard
317 \lang english
318 This is most likely due to the frequencies in our experiment being far below
319  the resonances of the nanoparticles, with the largest elements of the 
320 \begin_inset Formula $T$
321 \end_inset
323 -matrix being of the order of 
324 \begin_inset Formula $10^{-3}$
325 \end_inset
327  (for power-normalised waves).
328  The nanoparticles are therefore almost transparent, but still suffice to
329  provide enough feedback for lasing.
331 \end_layout
333 \begin_layout Subsection
334 The multiple-scattering problem
335 \begin_inset CommandInset label
336 LatexCommand label
337 name "sub:The-multiple-scattering-problem"
339 \end_inset
342 \end_layout
344 \begin_layout Standard
345 In the 
346 \begin_inset Formula $T$
347 \end_inset
349 -matrix approach, scattering properties of single nanoparticles are first
350  computed in terms of vector sperical wavefunctions (VSWFs)—the field incident
351  onto the 
352 \begin_inset Formula $n$
353 \end_inset
355 -th nanoparticle from external sources can be expanded as 
356 \begin_inset Formula 
357 \begin{equation}
358 \vect E_{n}^{\mathrm{inc}}(\vect r)=\sum_{l=1}^{\infty}\sum_{m=-l}^{+l}\sum_{t=\mathrm{E},\mathrm{M}}\coeffrip nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)\label{eq:E_inc}
359 \end{equation}
361 \end_inset
363 where 
364 \begin_inset Formula $\vect r_{n}=\vect r-\vect R_{n}$
365 \end_inset
368 \begin_inset Formula $\vect R_{n}$
369 \end_inset
371  being the position of the centre of 
372 \begin_inset Formula $n$
373 \end_inset
375 -th nanoparticle and 
376 \begin_inset Formula $\svwfr lmt$
377 \end_inset
379  are the regular VSWFs which can be expressed in terms of regular spherical
380  Bessel functions of 
381 \begin_inset Formula $j_{k}\left(\left|\vect r_{n}\right|\right)$
382 \end_inset
384  and spherical harmonics 
385 \begin_inset Formula $\ush km\left(\hat{\vect r}_{n}\right)$
386 \end_inset
388 ; the expressions can be found e.g.
389  in [REF] 
390 \begin_inset Note Note
391 status open
393 \begin_layout Plain Layout
394 few words about different conventions?
395 \end_layout
397 \end_inset
399 (care must be taken because of varying normalisation and phase conventions).
400  On the other hand, the field scattered by the particle can be (outside
401  the particle's circumscribing sphere) expanded in terms of singular VSWFs
403 \begin_inset Formula $\svwfs lmt$
404 \end_inset
406  which differ from the regular ones by regular spherical Bessel functions
407  being replaced with spherical Hankel functions 
408 \begin_inset Formula $h_{k}^{(1)}\left(\left|\vect r_{n}\right|\right)$
409 \end_inset
412 \begin_inset Formula 
413 \begin{equation}
414 \vect E_{n}^{\mathrm{scat}}\left(\vect r\right)=\sum_{l,m,t}\coeffsip nlmt\svwfs lmt\left(\vect r_{n}\right).\label{eq:E_scat}
415 \end{equation}
417 \end_inset
419 The expansion coefficients 
420 \begin_inset Formula $\coeffsip nlmt$
421 \end_inset
424 \begin_inset Formula $t=\mathrm{E},\mathrm{M}$
425 \end_inset
427  are related to the electric and magnetic multipole polarisation amplitudes
428  of the nanoparticle.
430 \end_layout
432 \begin_layout Standard
433 At a given frequency, assuming the system is linear, the relation between
434  the expansion coefficients in the VSWF bases is given by the so-called
436 \begin_inset Formula $T$
437 \end_inset
439 -matrix, 
440 \begin_inset Formula 
441 \begin{equation}
442 \coeffsip nlmt=\sum_{l',m',t'}T_{n}^{lmt;l'm't'}\coeffrip n{l'}{m'}{t'}.\label{eq:Tmatrix definition}
443 \end{equation}
445 \end_inset
447 The 
448 \begin_inset Formula $T$
449 \end_inset
451 -matrix is given by the shape and composition of the particle and fully
452  describes its scattering properties.
453  In theory it is infinite-dimensional, but in practice (at least for subwaveleng
454 th nanoparticles) its elements drop very quickly to negligible values with
455  growing degree indices 
456 \begin_inset Formula $l,l'$
457 \end_inset
459 , enabling to take into account only the elements up to some finite degree,
461 \begin_inset Formula $l,l'\le l_{\mathrm{max}}$
462 \end_inset
465  The 
466 \begin_inset Formula $T$
467 \end_inset
469 -matrix can be calculated numerically using various methods; here we used
470  the scuff-tmatrix tool from the SCUFF-EM suite 
471 \begin_inset CommandInset citation
472 LatexCommand cite
473 key "SCUFF2,reid_efficient_2015"
475 \end_inset
478 \end_layout
480 \begin_layout Standard
481 The singular SVWFs originating at 
482 \begin_inset Formula $\vect R_{n}$
483 \end_inset
485  can be then re-expanded around another origin (nanoparticle location) 
486 \begin_inset Formula $\vect R_{n'}$
487 \end_inset
489  in terms of regular SVWFs,
490 \begin_inset Formula 
491 \begin{equation}
492 \svwfs lmt\left(\vect r_{n}\right)=\sum_{l',m',t'}\transop^{l'm't';lmt}\left(\vect R_{n'}-\vect R_{n}\right)\svwfr{l'}{m'}{t'}\left(\vect r_{n'}\right),\qquad\left|\vect r_{n'}\right|<\left|\vect R_{n'}-\vect R_{n}\right|.\label{eq:translation op def}
493 \end{equation}
495 \end_inset
497 Analytical expressions for the translation operator 
498 \begin_inset Formula $\transop^{lmt;l'm't'}\left(\vect R_{n'}-\vect R_{n}\right)$
499 \end_inset
501  can be found in 
502 \begin_inset CommandInset citation
503 LatexCommand cite
504 key "xu_efficient_1998"
506 \end_inset
509 \end_layout
511 \begin_layout Standard
512 If we write the field incident onto 
513 \begin_inset Formula $n$
514 \end_inset
516 -th nanoparticle as the sum of fields scattered from all the other nanoparticles
517  and an external field 
518 \begin_inset Formula $\vect E_{0}$
519 \end_inset
522 \begin_inset Formula 
524 \vect E_{n}^{\mathrm{inc}}\left(\vect r\right)=\vect E_{0}\left(\vect r\right)+\sum_{n'\ne n}\vect E_{n'}^{\mathrm{scat}}\left(\vect r\right)
527 \end_inset
529 and use eqs.
531 \begin_inset CommandInset ref
532 LatexCommand eqref
533 reference "eq:E_inc"
535 \end_inset
538 \begin_inset CommandInset ref
539 LatexCommand eqref
540 reference "eq:translation op def"
542 \end_inset
544 , we obtain a set of linear equations for the electromagnetic response (multiple
545  scattering) of the whole set of nanoparticles,
546 \end_layout
548 \begin_layout Standard
549 \begin_inset Note Note
550 status open
552 \begin_layout Plain Layout
553 \begin_inset Formula 
555 \vect E_{n}^{\mathrm{inc}}\left(\vect r\right)=\vect E_{0}\left(\vect r\right)+\sum_{n'\ne n}\vect E_{n'}^{\mathrm{scat}}\left(\vect r\right)
558 \end_inset
561 \end_layout
563 \begin_layout Plain Layout
564 \begin_inset Formula 
566 \sum_{l,m,t}\coeffrip nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)=\sum_{l,m,t}\coeffripext nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)+\sum_{n'\ne n}\sum_{l,m,t}\coeffsip{n'}lmt\svwfs lmt\left(\vect r_{n'}\right)
569 \end_inset
572 \end_layout
574 \begin_layout Plain Layout
575 \begin_inset Formula 
577 \sum_{l,m,t}\coeffrip nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)=\sum_{l,m,t}\coeffripext nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)+\sum_{n'\ne n}\sum_{l,m,t}\coeffsip{n'}lmt\sum_{l',m',t'}\transop^{l'm't';lmt}\left(\vect R_{n}-\vect R_{n'}\right)\svwfr{l'}{m'}{t'}\left(\vect r_{n}\right)
580 \end_inset
583 \begin_inset Formula 
585 \sum_{l,m,t}\coeffrip nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)=\sum_{l,m,t}\coeffripext nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)+\sum_{n'\ne n}\sum_{l,m,t}\sum_{l',m',t'}\coeffsip{n'}{l'}{m'}{t'}\transop^{lmt;l'm't'}\left(\vect R_{n}-\vect R_{n'}\right)\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right)
588 \end_inset
591 \end_layout
593 \begin_layout Plain Layout
594 \begin_inset Formula 
596 \coeffrip nlmt=\coeffripext nlmt+\sum_{n'\ne n}\sum_{l',m',t'}\coeffsip{n'}{l'}{m'}{t'}\transop^{lmt;l'm't'}\left(\vect R_{n}-\vect R_{n'}\right)
599 \end_inset
602 \begin_inset Formula $\coeffsip{n'}{l'}{m'}{t'}=\sum_{l'',m'',t''}T_{n'}^{l'm't';l''m''t''}\coeffrip{n'}{l''}{m''}{t''}$
603 \end_inset
606 \begin_inset Formula 
608 \coeffrip nlmt=\coeffripext nlmt+\sum_{n'\ne n}\sum_{l',m',t'}\transop^{lmt;l'm't'}\left(\vect R_{n}-\vect R_{n'}\right)\sum_{l'',m'',t''}T_{n'}^{l'm't';l''m''t''}\coeffrip{n'}{l''}{m''}{t''}
611 \end_inset
614 \end_layout
616 \end_inset
619 \end_layout
621 \begin_layout Standard
622 \begin_inset Formula 
623 \begin{equation}
624 \coeffrip nlmt=\coeffripext nlmt+\sum_{n'\ne n}\sum_{l',m',t'}\transop^{lmt;l'm't'}\left(\vect R_{n}-\vect R_{n'}\right)\sum_{l'',m'',t''}T_{n'}^{l'm't';l''m''t''}\coeffrip{n'}{l''}{m''}{t''},\label{eq:multiplescattering element-wise}
625 \end{equation}
627 \end_inset
629 where 
630 \begin_inset Formula $\coeffripext nlmt$
631 \end_inset
633  are the expansion coefficients of the external field around the 
634 \begin_inset Formula $n$
635 \end_inset
637 -th particle, 
638 \begin_inset Formula $\vect E_{0}\left(\vect r\right)=\sum_{l,m,t}\coeffripext nlmt\svwfr lmt\left(\vect r_{n}\right).$
639 \end_inset
641  It is practical to get rid of the SVWF indices, rewriting 
642 \begin_inset CommandInset ref
643 LatexCommand eqref
644 reference "eq:multiplescattering element-wise"
646 \end_inset
648  in a per-particle matrix form
649 \begin_inset Formula 
650 \begin{equation}
651 \coeffr_{n}=\coeffr_{\mathrm{ext}(n)}+\sum_{n'\ne n}S_{n,n'}T_{n'}p_{n'}\label{eq:multiple scattering per particle p}
652 \end{equation}
654 \end_inset
656 and to reformulate the problem using 
657 \begin_inset CommandInset ref
658 LatexCommand eqref
659 reference "eq:Tmatrix definition"
661 \end_inset
663  in terms of the 
664 \begin_inset Formula $\coeffs$
665 \end_inset
667 -coefficients which describe the multipole excitations of the particles
668 \begin_inset Formula 
669 \begin{equation}
670 \coeffs_{n}-T_{n}\sum_{n'\ne n}S_{n,n'}\coeffs_{n'}=T_{n}\coeffr_{\mathrm{ext}(n)}.\label{eq:multiple scattering per particle a}
671 \end{equation}
673 \end_inset
675 Knowing 
676 \begin_inset Formula $T_{n},S_{n,n'},\coeffr_{\mathrm{ext}(n)}$
677 \end_inset
679 , the nanoparticle excitations 
680 \begin_inset Formula $a_{n}$
681 \end_inset
683  can be solved by standard linear algebra methods.
684  The total scattered field anywhere outside the particles' circumscribing
685  spheres is then obtained by summing the contributions 
686 \begin_inset CommandInset ref
687 LatexCommand eqref
688 reference "eq:E_scat"
690 \end_inset
692  from all particles.
693 \end_layout
695 \begin_layout Subsection
696 Periodic systems and mode analysis
697 \begin_inset CommandInset label
698 LatexCommand label
699 name "sub:Periodic-systems"
701 \end_inset
704 \end_layout
706 \begin_layout Standard
707 In an infinite periodic array of nanoparticles, the excitations of the nanoparti
708 cles take the quasiperiodic Bloch-wave form
709 \begin_inset Formula 
711 \coeffs_{i\alpha}=e^{i\vect k\cdot\vect R_{i}}\coeffs_{\alpha}
714 \end_inset
716 (assuming the incident external field has the same periodicity, 
717 \begin_inset Formula $\coeffr_{\mathrm{ext}(i\alpha)}=e^{i\vect k\cdot\vect R_{i}}p_{\mathrm{ext}\left(\alpha\right)}$
718 \end_inset
720 ) where 
721 \begin_inset Formula $\alpha$
722 \end_inset
724  is the index of a particle inside one unit cell and 
725 \begin_inset Formula $\vect R_{i},\vect R_{i'}\in\Lambda$
726 \end_inset
728  are the lattice vectors corresponding to the sites (labeled by multiindices
730 \begin_inset Formula $i,i'$
731 \end_inset
733 ) of a Bravais lattice 
734 \begin_inset Formula $\Lambda$
735 \end_inset
738  The multiple-scattering problem 
739 \begin_inset CommandInset ref
740 LatexCommand eqref
741 reference "eq:multiple scattering per particle a"
743 \end_inset
745  then takes the form
746 \begin_inset Note Note
747 status open
749 \begin_layout Plain Layout
750 \begin_inset Formula 
752 \coeffs_{i\alpha}=T_{\alpha}\left(\coeffr_{\mathrm{ext}(i\alpha)}+\sum_{(i',\alpha')\ne\left(i,\alpha\right)}S_{i\alpha,i'\alpha}\coeffs_{i'\alpha'}\right)
755 \end_inset
758 \end_layout
760 \end_inset
763 \end_layout
765 \begin_layout Standard
766 \begin_inset Formula 
768 \coeffs_{i\alpha}-T_{\alpha}\sum_{(i',\alpha')\ne\left(i,\alpha\right)}S_{i\alpha,i'\alpha'}e^{i\vect k\cdot\left(\vect R_{i'}-\vect R_{i}\right)}\coeffs_{i\alpha'}=T_{\alpha}\coeffr_{\mathrm{ext}(i\alpha)}
771 \end_inset
773 or, labeling 
774 \begin_inset Formula $W_{\alpha\alpha'}=\sum_{i';(i',\alpha')\ne\left(i,\alpha\right)}S_{i\alpha,i'\alpha'}e^{i\vect k\cdot\left(\vect R_{i'}-\vect R_{i}\right)}=\sum_{i';(i',\alpha')\ne\left(0,\alpha\right)}S_{0\alpha,i'\alpha'}e^{i\vect k\cdot\vect R_{i'}}$
775 \end_inset
777  and using the quasiperiodicity,
778 \begin_inset Formula 
779 \begin{equation}
780 \sum_{\alpha'}\left(\delta_{\alpha\alpha'}\mathbb{I}-T_{\alpha}W_{\alpha\alpha'}\right)\coeffs_{\alpha'}=T_{\alpha}\coeffr_{\mathrm{ext}(\alpha)},\label{eq:multiple scattering per particle a periodic}
781 \end{equation}
783 \end_inset
786 \begin_inset Note Note
787 status open
789 \begin_layout Plain Layout
790 \begin_inset Formula 
791 \begin{equation}
792 \coeffs_{\alpha}-T_{\alpha}\sum_{\alpha'}W_{\alpha\alpha'}\coeffs_{\alpha'}=T_{\alpha}\coeffr_{\mathrm{ext}(\alpha)},\label{eq:multiple scattering per particle a periodic-2}
793 \end{equation}
795 \end_inset
798 \end_layout
800 \end_inset
802 which reduces the linear problem 
803 \begin_inset CommandInset ref
804 LatexCommand eqref
805 reference "eq:multiple scattering per particle a"
807 \end_inset
809  to interactions between particles inside single unit cell.
810  A problematic part is the evaluation of the translation operator lattice
811  sums 
812 \begin_inset Formula $W_{\alpha\alpha'}$
813 \end_inset
815 ; this is performed using exponentially convergent Ewald-type representations
817 \begin_inset CommandInset citation
818 LatexCommand cite
819 key "linton_lattice_2010"
821 \end_inset
824 \end_layout
826 \begin_layout Standard
827 In an infinite periodic system, a nonlossy mode supports itself without
828  external driving, i.e.
829  such mode is described by excitation coefficients 
830 \begin_inset Formula $a_{\alpha}$
831 \end_inset
833  that satisfy eq.
835 \begin_inset CommandInset ref
836 LatexCommand eqref
837 reference "eq:multiple scattering per particle a periodic-2"
839 \end_inset
841  with zero right-hand side.
842  That can happen if the block matrix 
843 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)=\left\{ \delta_{\alpha\alpha'}\mathbb{I}-T_{\alpha}\left(\vect{\omega}\right)W_{\alpha\alpha'}\left(\omega,\vect k\right)\right\} _{\alpha\alpha'}$
844 \end_inset
846  from the left hand side of 
847 \begin_inset CommandInset ref
848 LatexCommand eqref
849 reference "eq:multiple scattering per particle a periodic"
851 \end_inset
853  is singular (here we explicitely note the 
854 \begin_inset Formula $\omega,\vect k$
855 \end_inset
857  depence).
859 \begin_inset Note Note
860 status open
862 \begin_layout Plain Layout
863 In other words, the energy bands of the lattice are given by 
864 \begin_inset Formula 
866 \det M\left(\omega,\vect k\right)=0.
869 \end_inset
872 \end_layout
874 \end_inset
877 \end_layout
879 \begin_layout Standard
880 For lossy nanoparticles, however, perfect propagating modes will not exist
881  and 
882 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
883 \end_inset
885  will never be perfectly singular.
886  Therefore in practice, we get the bands by scanning over 
887 \begin_inset Formula $\omega,\vect k$
888 \end_inset
890  to search for 
891 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
892 \end_inset
894  which have an 
895 \begin_inset Quotes sld
896 \end_inset
898 almost zero
899 \begin_inset Quotes srd
900 \end_inset
902  singular value.
903 \end_layout
905 \begin_layout Section
907 \lang english
908 Symmetries
909 \begin_inset CommandInset label
910 LatexCommand label
911 name "sm:symmetries"
913 \end_inset
916 \end_layout
918 \begin_layout Standard
919 A general overview of utilizing group theory to find lattice modes at high-symme
920 try points of the Brillouin zone can be found e.g.
921  in 
922 \begin_inset CommandInset citation
923 LatexCommand cite
924 after "chapters 10–11"
925 key "dresselhaus_group_2008"
927 \end_inset
929 ; here we use the same notation.
930 \end_layout
932 \begin_layout Standard
933 We analyse the symmetries of the system in the same SVWF representation
934  as used in the 
935 \begin_inset Formula $T$
936 \end_inset
938 -matrix formalism introduced above.
939  We are interested in the modes at the 
940 \begin_inset Formula $\Kp$
941 \end_inset
943 -point of the hexagonal lattice, which has the 
944 \begin_inset Formula $D_{3h}$
945 \end_inset
947  point symmetry.
949 \begin_inset Note Note
950 status open
952 \begin_layout Plain Layout
953 The symmetry makes the 
954 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
955 \end_inset
957  matrix defined above invariant to the symmetry operations at the 
958 \begin_inset Formula $\Kp$
959 \end_inset
961 -point,
962 \begin_inset Formula 
964 RM\left(\omega,\vect K\right)R^{-1}=M\left(\omega,\vect K\right),\qquad R\in D_{3h}.
967 \end_inset
970 \end_layout
972 \end_inset
974  The six irreducible representations (irreps) of the 
975 \begin_inset Formula $D_{3h}$
976 \end_inset
978  group are known and are available in the literature in their explicit forms.
979  In order to find and classify the modes, we need to find a decomposition
980  of the lattice mode representation 
981 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{lat.mod.}}=\Gamma^{\mathrm{equiv.}}\otimes\Gamma_{\mathrm{vec.}}$
982 \end_inset
984  into the irreps of 
985 \begin_inset Formula $D_{3h}$
986 \end_inset
990 \begin_inset Note Note
991 status open
993 \begin_layout Plain Layout
994 The characters of the equivalence representation 
995 \begin_inset Formula $\Gamma^{\mathrm{equiv.}}$
996 \end_inset
998  are given by the formula 
999 \begin_inset Formula $\chi^{\mathrm{equiv.}}=\sum_{\alpha}\delta_{R_{\alpha}\vect r_{\alpha},\vect r_{\alpha}}e^{i\vect K_{m}\cdot\vect r_{\alpha}}$
1000 \end_inset
1002  where 
1003 \begin_inset Formula $\vect r_{\alpha}$
1004 \end_inset
1006  are the positions of the nanoparticles with respect 
1007 \end_layout
1009 \end_inset
1011 The equivalence representation 
1012 \begin_inset Formula $\Gamma^{\mathrm{equiv.}}$
1013 \end_inset
1015  is the 
1016 \begin_inset Formula $E'$
1017 \end_inset
1019  representation as can be deduced from 
1020 \begin_inset CommandInset citation
1021 LatexCommand cite
1022 after "eq. (11.19)"
1023 key "dresselhaus_group_2008"
1025 \end_inset
1027 , eq.
1028  (11.19) and the character table for 
1029 \begin_inset Formula $D_{3h}$
1030 \end_inset
1034 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{vec.}}$
1035 \end_inset
1037  operates on a space spanned by the VSWFs around each nanoparticle in the
1038  unit cell (the effects of point group operations on VSWFs are described
1039  in 
1040 \begin_inset CommandInset citation
1041 LatexCommand cite
1042 key "schulz_point-group_1999"
1044 \end_inset
1047  This space can be then decomposed into invariant subspaces of the 
1048 \begin_inset Formula $D_{3h}$
1049 \end_inset
1051  using the projectors 
1052 \begin_inset Formula $\hat{P}_{ab}^{\left(\Gamma\right)}$
1053 \end_inset
1055  defined by 
1056 \begin_inset CommandInset citation
1057 LatexCommand cite
1058 after "eq. (4.28)"
1059 key "dresselhaus_group_2008"
1061 \end_inset
1064  This way, we obtain a symmetry adapted basis 
1065 \begin_inset Formula $\left\{ \vect b_{\Gamma,r,i}^{\mathrm{s.a.b.}}\right\} $
1066 \end_inset
1068  as linear combinations of VSWFs 
1069 \begin_inset Formula $\svwfs lm{p,t}$
1070 \end_inset
1072  around the constituting nanoparticles (labeled 
1073 \begin_inset Formula $p$
1074 \end_inset
1077 \begin_inset Formula 
1079 \vect b_{\Gamma,r,i}^{\mathrm{s.a.b.}}=\sum_{l,m,p,t}U_{\Gamma,r,i}^{p,t,l,m}\svwfs lm{p,t},
1082 \end_inset
1084 where 
1085 \begin_inset Formula $\Gamma$
1086 \end_inset
1088  stands for one of the six different irreps of 
1089 \begin_inset Formula $D_{3h}$
1090 \end_inset
1093 \begin_inset Formula $r$
1094 \end_inset
1096  labels the different realisations of the same irrep, and the last index
1098 \begin_inset Formula $i$
1099 \end_inset
1101  going from 1 to 
1102 \begin_inset Formula $d_{\Gamma}$
1103 \end_inset
1105  (the dimensionality of 
1106 \begin_inset Formula $\Gamma$
1107 \end_inset
1109 ) labels the different partners of the same given irrep.
1110  The number of how many times is each irrep contained in 
1111 \begin_inset Formula $\Gamma_{\mathrm{lat.mod.}}$
1112 \end_inset
1114  (i.e.
1115  the range of index 
1116 \begin_inset Formula $r$
1117 \end_inset
1119  for given 
1120 \begin_inset Formula $\Gamma$
1121 \end_inset
1123 ) depends on the multipole degree cutoff 
1124 \begin_inset Formula $l_{\mathrm{max}}$
1125 \end_inset
1129 \end_layout
1131 \begin_layout Standard
1132 Each mode at the 
1133 \begin_inset Formula $\Kp$
1134 \end_inset
1136 -point shall lie in the irreducible spaces of only one of the six possible
1137  irreps and it can be shown via 
1138 \begin_inset CommandInset citation
1139 LatexCommand cite
1140 after "eq. (2.51)"
1141 key "dresselhaus_group_2008"
1143 \end_inset
1145  that, at the 
1146 \begin_inset Formula $\Kp$
1147 \end_inset
1149 -point, the matrix 
1150 \begin_inset Formula $M\left(\omega,\vect k\right)$
1151 \end_inset
1153  defined above takes a block-diagonal form in the symmetry-adapted basis,
1154 \begin_inset Formula 
1156 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.}}.
1159 \end_inset
1161  This enables us to decompose the matrix according to the irreps and to
1162  solve the singular value problem in each irrep separately, as done in Fig.
1163  xxx.
1164 \end_layout
1166 \begin_layout Standard
1167 \begin_inset CommandInset bibtex
1168 LatexCommand bibtex
1169 bibfiles "hexarray-theory"
1170 options "plain"
1172 \end_inset
1175 \end_layout
1177 \end_body
1178 \end_document