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Minor grammatical and typesetting improvements for step-81
authorDavid Wells <drwells@email.unc.edu>
Thu, 24 Mar 2022 21:37:02 +0000 (17:37 -0400)
committerMatthias Maier <tamiko@43-1.org>
Thu, 26 May 2022 05:16:02 +0000 (00:16 -0500)
examples/step-81/doc/intro.dox

index 5386447716848ff5a20f9de27e34884049ae0e63..684e853971c9e80a82074ca98e7cf8e750b5b3d1 100644 (file)
@@ -3,7 +3,7 @@
 <h1> Introduction </h1>
 
 A surface plasmon-polariton (SPP) is a slowly decaying electromagnetic
-wave, confined near a metal-air (or similar) interfaces. SPP structures on
+wave, confined near a metal-air (or similar) interface. SPP structures on
 novel "2D" materials such as graphene, a monoatomic layer of carbon atoms
 arranged in a hexagonal lattice, typically have wavelengths much shorter
 than the wavelength of the free-space radiation. This scale separation
@@ -12,23 +12,23 @@ optical devices.
 
 In the following, we discuss a method for observing SPPs numerically by
 solving a suitable electromagnetic model based on time-harmonic Maxwell's
-equations that incorporates jump conditions on lower-dimensional material
+equations which incorporate jump conditions on lower-dimensional material
 interfaces: The conducting sheet is modeled as an idealized hypersurface
-with an effective electric conductivity, and the weak discontinuity for the
+with an effective electric conductivity and the weak discontinuity for the
 tangential surface appears naturally in the variational form.
 
 This tutorial presents a direct solver for the time-harmonic Maxwell
 equations for scattering configurations with lower-dimensional interfaces.
-We discuss in particular how to set up a complex-valued (time-harmonic),
-how to implement simple first-order absorbing boundary conditions and a
-more sophisticated "perfectly matched layer" for electromagnetic waves.
+In particular, we discuss using complex values, simple first-order absorbing
+boundary conditions, and a more sophisticated
+<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Perfectly_matched_layer">perfectly
+  matched layer</a> (PML) boundary condition for electromagnetic waves.
 
 
 <h3>Time-Harmonic Maxwell's Equations with interface conditions</h3>
 
 We start the discussion with a short derivation of the governing equations
-and some pointers to literature.
-
+and some literature references.
 
 <h4>Derivation of time-harmonic Maxwell's equations</h4>
 
@@ -53,40 +53,37 @@ equations</a>
 \nabla\cdot(\varepsilon\mathbf{E}) = \rho_m,
 \end{cases}
 @f]
-where $\nabla\times\mathbf{F}(\mathbf{x})$ denotes the curl and
-$\nabla\cdot\mathbf{F}(\mathbf{x})$ denotes the divergence of a vector
-field $\mathbf{F}:\Omega\to\mathbb{R}^d$ and where we have set $d=2,3$. We
-have introduced two (time-independent) material parameters, the
-<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity">electric permittivity</a>
-$\varepsilon$
-and the
-<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Permeability">magnetic permeability</a>
-$\mu$. In addition, $\rho$ is the (electric) charge density and $\rho_m$ is
-a corresponding (hypothetical)
-<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_monopole">magnetic monopole</a>
-density. $\mathbf{J}_a$ and $\mathbf{M}_a$ are the electric and magnetic
-flux densities. Both are related to their respective charge densities by a
-conservation equation @cite Schwartz1972 :
+in which $\nabla\times$ is the curl operator, $\nabla\cdot$ is the divergence operator,
+$\varepsilon$ is the
+<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Permittivity">electric permittivity</a>,
+$\mu$ is the
+<a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Permeability">magnetic permeability</a>,
+$\rho$ is the electric charge density, and $\rho_m$ is a corresponding
+(hypothetical) <a href="https://en.wikipedia.org/wiki/Magnetic_monopole">magnetic
+  monopole</a> density.
+$\mathbf{J}_a$ and $\mathbf{M}_a$ are the electric and magnetic
+flux densities which are related to their respective charge densities by the
+conservation equations @cite Schwartz1972
 @f[
-\frac{\partial}{\partial t} \rho + \nabla\cdot\mathbf{J}_a \,=\, 0,
-\qquad
-\frac{\partial}{\partial t} \rho_m + \nabla\cdot\mathbf{M}_a \,=\, 0.
+\frac{\partial}{\partial t} \rho + \nabla\cdot\mathbf{J}_a = 0
+\text{ and }
+\frac{\partial}{\partial t} \rho_m + \nabla\cdot\mathbf{M}_a = 0.
 @f]
 
 We now make the important assumption that the material parameters
 $\varepsilon$ and $\mu$ are time-independent and that the fields
 $\mathbf{E}$ and $\mathbf{H}$, the fluxes $\mathbf{M}_a$ and
 $\mathbf{J}_a$, as well as the densities $\rho$ and $\rho_m$ are all
-<i>time-harmonic</i>, i.e., their time evolution is completely described by
+<em>time-harmonic</em>, i.e., their time evolution is completely described by
 @f[
   \mathbf{F}(\mathbf{x},t) = \text{Re}\{e^{-i\omega
   t}\tilde{\mathbf{F}}(\mathbf{x})\},
 @f]
-where $\omega$ is the temporal angular frequency and
+in which $\omega$ is the temporal angular frequency and
 $\tilde{\mathbf{F}}(\mathbf{x})$ is a corresponding complex-valued vector
 field (or density). Inserting this ansatz into Maxwell's equations,
 substituting the charge conservation equations and some minor algebra then
-yields the so-called <i>time-harmonic</i> Maxwell's equations, viz.,
+yields the so-called <em>time-harmonic</em> Maxwell's equations:
 @f[
 \begin{cases}
 -i\omega \tilde{\mathbf{H}} + \nabla \times \tilde{\mathbf{E}} =
@@ -107,7 +104,7 @@ referring to the time-harmonic fields.
 
 <h4>Jump conditions on lower dimensional interfaces</h4>
 
-Graphene is a two-dimensional carbon allotrope with a <i>single</i> atom
+Graphene is a two-dimensional carbon allotrope with a <em>single</em> atom
 layer that is arranged in a honeycomb lattice @cite Geim2004. Due to its
 atomic thickness it is an example of a so-called 2D material: Compared to
 the other spatial dimensions (where graphene samples can reach up to
@@ -120,18 +117,18 @@ one-dimensional line in two spatial dimensions. The special electronic
 structure of graphene gives rise to a current density on the
 lower-dimensional interface that is modeled with an effective surface
 conductivity $\sigma^\Sigma$ obeying <a
-href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ohm%27s_law">Ohm's Law</a>, viz,
+href="https://en.wikipedia.org/wiki/Ohm%27s_law">Ohm's Law</a>:
 @f[
-  \mathbf{J}^\Sigma=\sigma^\Sigma\,\mathbf{E}_T.
+  \mathbf{J}^\Sigma=\sigma^\Sigma\,\mathbf{E}_T
 @f]
-Here, $\mathbf{J}^\Sigma$ is the surface current density, $\mathbf{E}_T$
+in which $\mathbf{J}^\Sigma$ is the surface current density, $\mathbf{E}_T$
 denotes the tangential part of the electric field $\mathbf{E}$, and
 $\sigma^\Sigma$ is an appropriately chosen surface conductivity that will
 be discussed in more detail below. The surface current density gives rise
 to a jump condition on $\Sigma$ in the tangential component of the magnetic
 field. This is best seen by visualizing <a
 href="https://en.wikipedia.org/wiki/Amp%C3%A8re%27s_circuital_law">Ampère's
-law</a>,
+law</a>:
 
 @htmlonly
 <p align="center">
@@ -150,7 +147,7 @@ $\Sigma$ both jump conditions read,
 \mathbf{\nu} \times \left[\mathbf{E}^+ - \mathbf{E}^-\right]|_{\Sigma} = 0.
 \end{cases}
 @f]
-Here, the notation $\mathbf{F}^\pm$ indicates the limit values of the field
+The notation $\mathbf{F}^\pm$ indicates the limit values of the field
 when approaching the interface from above or below the interface:
 $\mathbf{F}^\pm(\mathbf{x})=\lim_{\delta\to0,\delta>0}\mathbf{F}(\mathbf{x}\pm\delta\mathbf{\nu})$.
 
@@ -160,11 +157,11 @@ $\mathbf{F}^\pm(\mathbf{x})=\lim_{\delta\to0,\delta>0}\mathbf{F}(\mathbf{x}\pm\d
 We will be using a rescaled version of the Maxwell's equations described above.
 The rescaling has the following key differences:<br />
 1. Every length is rescaled by the free-space wavelength $2\pi k^{-1}
-:= 2\pi(\omega\sqrt{\varepsilon_0\mu_0})^{-1}$, where $\varepsilon_0$ and $\mu_0$
+\dealcoloneq 2\pi(\omega\sqrt{\varepsilon_0\mu_0})^{-1}$, in which $\varepsilon_0$ and $\mu_0$
 denote the vacuum dielectric permittivity and magnetic permeability, respectively.
 <br />
 2. $\mathbf{E}$, $\mathbf{H}$, $\mathbf{J}_a$, $\mathbf{M}_a$ are all rescaled by
-typical electric current strength $J_0$, where $J_0$ is the strength of the
+typical electric current strength $J_0$, i.e., the strength of the
 prescribed dipole source at location $a$ in the $e_i$ direction in Cartesian
 coordinates.
 @f[
@@ -173,14 +170,15 @@ coordinates.
 <br />
 
 Accordingly, our electric permittivity and magnetic permeability are rescaled by
-$\varepsilon_0$ and $\mu_0$ as follows:
+$\varepsilon_0$ and $\mu_0$ as
 @f[
-\mu_r = \frac{1}{\mu_0}\mu,\qquad
+\mu_r = \frac{1}{\mu_0}\mu
+\text{ and }
 \varepsilon_r = \frac{1}{\varepsilon_0}\varepsilon.
 @f]
 
-We use the free space wave number $k_0 = \omega\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$, and
-the dipole strength, $J_0$, to arrive at the following rescaling of the vector
+We use the free-space wave number $k_0 = \omega\sqrt{\varepsilon_0\mu_0}$ and
+the dipole strength, $J_0$ to arrive at the following rescaling of the vector
 fields and coordinates:
 @f[
 \begin{align*}
@@ -193,12 +191,12 @@ fields and coordinates:
 \end{align*}
 @f]
 
-Finally, the interface conductivity is rescaled as follows:
+Finally, the interface conductivity is rescaled as
 @f[
 \sigma^{\Sigma}_r = \sqrt{\frac{\mu_0}{\varepsilon_0}}\sigma^{\Sigma}.
 @f]
 
-Accordingly, our rescaled equations are:
+Accordingly, our rescaled equations are
 @f[
 \begin{cases}
 -i\mu_r \hat{\mathbf{H}} + \hat{\nabla} \times \hat{\mathbf{E}}
@@ -222,11 +220,11 @@ Let $\Sigma$ be an oriented, Lipschitz-continuous, piecewise smooth hypersurface
 Fix a normal field $\nu$ on $\Sigma$ and let $n$ denote the outer normal vector
 on $\partial\Omega$.<br />
 
-In order to arrive at the variational form, we will substitute $\mathbf{H}$ in
-the first equation as follows:
+In order to arrive at the variational form, we will substitute for $\mathbf{H}$ in
+the first equation and obtain
 @f[
 \nabla \times (\mu_r^{-1}\nabla\times\mathbf{E}) - \varepsilon_r \mathbf{E}
-= i\mathbf{J}_a - \nabla\times (\mu_r^{-1}\mathbf{M}_a)
+= i\mathbf{J}_a - \nabla\times (\mu_r^{-1}\mathbf{M}_a).
 @f]
 
 Now, consider a smooth test function $\varphi$ with complex conjugate $\bar{\varphi}$.
@@ -243,10 +241,14 @@ i\int_\Omega \mathbf{J}_a \cdot \bar{\varphi}\;\text{d}x
 - \int_\Omega \mu_r^{-1}\mathbf{M}_a \cdot (\nabla \times \bar{\varphi})\;\text{d}x.
 @f]
 
-We use the subscript $T$ to denote the tangential part of the given vector i.e.
-$F_T = (\nu\times F)\times\nu$ and $[\cdot]_{\Sigma}$ to denote a jump over
-$\Sigma$ i.e. $[F]_{\Sigma}(x) = \lim\limits_{s\searrow 0}(F(x+s\nu)-F(x-s\nu))$
-for $x\in \Sigma$.<br />
+We use the subscript $T$ to denote the tangential part of the given vector
+and $[\cdot]_{\Sigma}$ to denote a jump over $\Sigma$, i.e.,
+@f[
+  F_T = (\nu\times F)\times\nu
+  \text{ and }
+  [F]_{\Sigma}(x) = \lim\limits_{s\searrow 0}(F(x+s\nu)-F(x-s\nu))
+@f]
+for $x\in \Sigma$.
 
 For the computational domain $\Omega$, we introduce the absorbing boundary condition
 at $\partial\Omega$, which is obtained by using a first-order approximation of
@@ -254,9 +256,9 @@ the Silver-Müller radiation condition, truncated at $\partial\Omega$.
 @f[
 \nu\times\mathbf{H}+\sqrt{\mu_r^{-1}\varepsilon_r}\mathbf{E}=0\qquad x\in\partial\Omega
 @f]
-We assume that $\mu_r^{-1}$ and $\varepsilon$ have well-defined square root. In
+We assume that $\mu_r^{-1}$ and $\varepsilon$ have well-defined square roots. In
 our numerical computation, we combine the above absorbing boundary condition
-with a Perfectly Matched Layer (PML). <br />
+with a PML. <br />
 
 The jump condition can be expressed as a weak discontinuity as follows:
 @f[
@@ -285,60 +287,67 @@ such that $\sqrt{\mu_r^{-1}\varepsilon_r}$ is real valued and strictly positive
 in $\partial\Omega$. <br />
 
 $\mathbf{H}(curl;\Omega)$ is space of vector-valued, measurable and square
-integrable functions whose (distributive) curl admits a representation by a
+integrable functions whose weak curl admits a representation by a
 square integrable function. Define a Hilbert space
 @f[
 X(\Omega) = \{\varphi \in \mathbf{H}(curl;\Omega)\;\;:\;\; \varphi_T|_{\Sigma}
 \in L^2(\Sigma)^2,\;\varphi_T|_{\partial\Omega} \in L^2(\partial\Omega)^2\}
 @f]
-equipped with the norm $\|\varphi\|^2_X = \|\varphi\|^2_{L^2(\Omega)} +
-\|\nabla\times\varphi\|^2_{L^2(\Omega)} + \|\varphi_T\|^2_{L^2(\Sigma)} +
-\|\varphi_T\|^2_{L^2(\partial\Omega)}.$
+equipped with the norm
+@f[
+  \|\varphi\|^2_X = \|\varphi\|^2_{L^2(\Omega)} +
+  \|\nabla\times\varphi\|^2_{L^2(\Omega)} + \|\varphi_T\|^2_{L^2(\Sigma)} +
+  \|\varphi_T\|^2_{L^2(\partial\Omega)}.
+@f]
 
 Define
 @f[
-A(\mathbf{E},\varphi) := \int_\Omega (\mu_r^{-1}\nabla\times\mathbf{E})\cdot
+A(\mathbf{E},\varphi) \dealcoloneq \int_\Omega (\mu_r^{-1}\nabla\times\mathbf{E})\cdot
 (\nabla\times\bar{\varphi})\;\text{d}x
 - \int_\Omega \varepsilon_r\mathbf{E} \cdot \bar{\varphi}\;\text{d}x
 - i\int_\Sigma (\sigma_r^{\Sigma}\mathbf{E}_T) \cdot \bar{\varphi}_T\;\text{d}o_x
 - i\int_{\partial\Omega} (\sqrt{\mu_r^{-1}\varepsilon}\mathbf{E}_T) \cdot
 (\nabla\times\bar{\varphi}_T)\;\text{d}o_x.\\
-F(\varphi) := i\int_\Omega \mathbf{J}_a \cdot \bar{\varphi}\;\text{d}x
+F(\varphi) \dealcoloneq i\int_\Omega \mathbf{J}_a \cdot \bar{\varphi}\;\text{d}x
 - \int_\Omega \mu_r^{-1}\mathbf{M}_a \cdot (\nabla \times \bar{\varphi})\;\text{d}x.
 @f]
 
 Then, our rescaled weak formulation is:<br />
-Find a unique $\mathbf{E} \in X(\Omega)$ such that for all $\varphi \in X(\Omega)$
+Find a unique $\mathbf{E} \in X(\Omega)$ such that, for all $\varphi \in X(\Omega)$,
 @f[
-A(\mathbf{E},\varphi) = F(\varphi)
+A(\mathbf{E},\varphi) = F(\varphi).
 @f]
 
 
-<h4>Absorbing boundary conditions and perfectly matched layer</h4>
+<h4>Absorbing boundary conditions and the perfectly matched layer</h4>
 
 Moreover, the above equations are supplemented by the Silver-Müller radiation
 condition, if the ambient (unbounded) medium is isotropic. This amounts to the
-requirement that $\mathbf{E}, \mathbf{H}$ approach a spherical wave uniformly in
-the radial direction for points at infinity and away from the conducting sheet.
+requirement that $\mathbf{E}$ and $\mathbf{H}$ both approach a spherical wave
+uniformly in the radial direction for points at infinity and away from the
+conducting sheet, i.e.,
 
 @f[
-\lim\limits_{|x|\to\infty} \{\mathbf{H}\times x - c^{-1}|x|\mathbf{E}\} = 0;\qquad
-\lim\limits_{|x|\to\infty} \{\mathbf{E}\times x - c^{-1}|x|\mathbf{H}\} = 0;\qquad
-x \not\in \Sigma
+\lim\limits_{|x|\to\infty} \{\mathbf{H}\times x - c^{-1}|x|\mathbf{E}\} = 0
+\text{ and }
+\lim\limits_{|x|\to\infty} \{\mathbf{E}\times x - c^{-1}|x|\mathbf{H}\} = 0
+\text{ for }
+x \not\in \Sigma.
 @f]
 
-In our case, we eliminate reflection from infinity by implementing a PML and
-avoid the explicit use of the last condition.
+In our case, we eliminate reflection from infinity by implementing a PML, which
+is described at length below, and avoid the explicit use of the last condition.
 
 <h3> Discretization Scheme</h3>
 
 The variational form is discretized on a non-uniform quadrilateral mesh with
-higher-order, curl-conforming Nédélec elements. This way the interface with a
-weak discontinuity can be aligned with or away from the mesh, and the convergence
-rate is high. Specifically, we use second-order Nédélec elements, which under our
-conditions will have a convergence rate $\mathcal{O}(\#\text{dofs})$. <br />
+higher-order, curl-conforming Nédélec elements implemented by the FE_NedelecSZ
+class. This way the interface with a weak discontinuity can be aligned with or
+away from the mesh and the convergence rate is high. Specifically, we use
+second-order Nédélec elements, which under our conditions will have a
+convergence rate $\mathcal{O}(\#\text{dofs})$.
 
-Now, consider the finite element subspace $X_h(\Omega) \subset X(\Omega)$. Define
+Consider the finite element subspace $X_h(\Omega) \subset X(\Omega)$. Define
 the matrices
 @f[
 A_{ij} = \int_\Omega (\mu_r^{-1}\nabla \times \varphi_i) \cdot
@@ -362,9 +371,6 @@ that for all $\varphi_i \in X_h(\Omega)$:
 A_{ij} = F_i
 @f]
 
-Using a skeleton similar to step-4, we have constructed a Maxwell class and we
-have used complex-valued FENedelec elements to solve our equations. <br />
-
 <h3> Perfectly Matched Layer </h3>
 The SPP amplitude is negatively effected by the absorbing boundary condition and
 this causes the solution image to be distorted. In order to reduce the resonance

In the beginning the Universe was created. This has made a lot of people very angry and has been widely regarded as a bad move.

Douglas Adams


Typeset in Trocchi and Trocchi Bold Sans Serif.