Error analysis of Trefftz-discontinuous Galerkin methods for the time-harmonic Maxwell equations

In this paper, we extend to the time-harmonic Maxwell equations the p-version analysis technique developed in [R. Hiptmair, A. Moiola and I. Perugia, Plane wave discontinuous Galerkin methods for the 2D Helmholtz equation: analysis of the p-version, SIAM J. Numer. Anal., 49 (2011), 264-284] for Trefftz-discontinuous Galerkin approximations of the Helmholtz problem. While error estimates in a mesh-skeleton norm are derived parallel to the Helmholtz case, the derivation of estimates in a mesh-independent norm requires new twists in the duality argument. The particular case where the local Trefftz approximation spaces are built of vector-valued plane wave functions is considered, and convergence rates are derived.

A uniqueness result for scattering by infinite rough surfaces

Consider the Dirichlet boundary value problem for the Helmholtz equation in a non-locally perturbed half-plane with an unbounded, piecewise Lyapunov boundary. This problem models time-harmonic electromagnetic scattering in transverse magnetic polarization by one-dimensional rough, perfectly conducting surfaces. A radiation condition is introduced for the problem, which is a generalization of the usual one used in the study of diffraction by gratings when the solution is quasi-periodic, and allows a variety of incident fields including an incident plane wave to be included in the results obtained. We show in this paper that the boundary value problem for the scattered field has at most one solution. For the case when the whole boundary is Lyapunov and is a small perturbation of a flat boundary we also prove existence of solution and show a limiting absorption principle.

A frequency-independent boundary element method for scattering by two-dimensional screens and apertures

We propose and analyse a hybrid numerical–asymptotic hp boundary element method (BEM) for time-harmonic scattering of an incident plane wave by an arbitrary collinear array of sound-soft two-dimensional screens. Our method uses an approximation space enriched with oscillatory basis functions, chosen to capture the high-frequency asymptotics of the solution. We provide a rigorous frequency-explicit error analysis which proves that the method converges exponentially as the number of degrees of freedom N increases, and that to achieve any desired accuracy it is sufficient to increase N in proportion to the square of the logarithm of the frequency as the frequency increases (standard BEMs require N to increase at least linearly with frequency to retain accuracy). Our numerical results suggest that fixed accuracy can in fact be achieved at arbitrarily high frequencies with a frequency-independent computational cost, when the oscillatory integrals required for implementation are computed using Filon quadrature. We also show how our method can be applied to the complementary ‘breakwater’ problem of propagation through an aperture in an infinite sound-hard screen.

Electric field gradients in (111)In-doped (Hf/Zr)(3)Al(2) and (Hf/Zr)(4)Al(3) mixed compounds: ab initio calculations, perturbed angular correlation measurements and site preference

The quadrupolar hyperfine interactions of in-diffused (111)In -> (111)Cd probes in polycrystalline isostructural Zr(4)Al(3) and Hf(4)Al(3) samples containing small admixtures of the phases (Zr/Hf)(3)Al(2) were investigated. A strong preference of (111)In solutes for the contaminant (Zr/Hf)(3)Al(2) minority phases was observed. Detailed calculations of the electric field gradient (EFG) at the Cd nucleus using the full-potential augmented plane wave + local orbital formalism allowed us to assign the observed EFG fractions to the various lattice sites in the (Zr/Hf)(3)Al(2) compounds and to understand the preferential site occupation of the minority phases by the (111)In atoms. The effects of the size of the supercell and relaxation around the oversized In and Cd probe atoms were investigated in detail.

Hyperfine interaction studies with (181)Ta and (111)Cd probes in the compound Ti(2)Ag

By using the time-differential perturbed angular correlation technique, the electric field gradients (EFG) at (181)Hf/(181)Ta and (111)In/(111)Cd probe sites in the MoSi(2)-type compound Ti(2)Ag have been measured as a function of temperature in the range from 24 to 1073 K. Ab initio EFG calculations have been performed within the framework of density functional theory using the full-potential augmented plane wave + local orbitals method as implemented in the WIEN2k package. These calculations allowed assignments of the probe lattice sites. For Ta, a single well-defined EFG with very weak temperature dependence was established and attributed to the [4(e)4mm] Ti site. For (111)Cd probes, two of the three measured EFGs are well defined and correlated with substitutional lattice sites, i.e. both the [4(e)4mm] Ti site and the [2(a)4/mmm] Ag site.

Luminescence studies on nitride quaternary alloys double quantum wells

We present theoretical photoluminescence (PL) spectra of undoped and p-doped Al(x)In(1-xy)Ga(y)N/Al(X)In(1) (X) (Y)Ga(Y)N double quantum wells (DQWs). The calculations were performed within the k.p method by means of solving a full eight-band Kane Hamiltonian together with the Poisson equation in a plane wave representation, including exchange-correlation effects within the local density approximation. Strain effects due to the lattice mismatch are also taken into account. We show the calculated PL spectra, analyzing the blue and red-shifts in energy as one varies the spike and the well widths, as well as the acceptor doping concentration. We found a transition between a regime of isolated quantum wells and that of interacting DQWs. Since there are few studies of optical properties of quantum wells based on nitride quaternary alloys, the results reported here will provide guidelines for the interpretation of forthcoming experiments. (C) 2008 Elsevier B.V. All rights reserved.

The electronic and optical properties of sodalite (Na(8)Al(6)Si(6)O(24)Cl(2)) from first principles

This study reports the results of ab initio electronic and optical calculations for pure socialite crystal using the linear augmented plane wave (LAPW) method within density functional theory (DFT). The calculated electronic structure revealed predominantly orbital characters of the valence band and the conduction band, and enabled us to determine the type and the value of the fundamental gap of the compound. The imaginary part of the dielectric tensor, extinction coefficient and refraction index were calculated as functions of the incident radiation wavelength. It is shown that the O 2p states and Na 3s states play the major role in optical transitions as initial and final states, respectively. The absorption spectrum is localized in the ultraviolet range between 40 and 250 nm. Furthermore, we concluded that the material does not absorb radiation in the visible range. (C) 2009 Elsevier Ltd. All rights reserved.

N=2 sigma models for Ramond-Ramond backgrounds

Using the U(4) hybrid formalism, manifestly N = (2,2) worldsheet supersymmetric sigma models are constructed for the type-IIB superstring in Ramond-Ramond backgrounds. The Kahler potential in these N = 2 sigma models depends on four chiral and antichiral bosonic superfields and two chiral and antichiral fermionic superfields. When the Kahler potential is quadratic, the model is a free conformal field theory which describes a flat ten-dimensional target space with Ramond-Ramond flux and non-constant dilaton. For more general Kahler potentials, the model describes curved target spaces with Ramond-Ramond flux that are not plane-wave backgrounds. Ricci-flatness of the Kahler metric implies the on-shell conditions for the background up to the usual four-loop conformal anomaly.

Remarks on Bessel beams, signals and superluminality

We address the question about the velocity of signals carried by Bessel beams wave packets propagating in vacuum and having well defined wavefronts in time. We find that this problem in analogous to that of propagation of usual plane wave packets within dispersive media and conclude that the signal velocity cannot be superluminal. (C) 2001 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Phase separation and gap bowing in zinc-blende InGaN, InAlN, BGaN, and BAlN alloy layers

We present first-principles calculations of the thermodynamic and electronic properties of the zinc-blende ternary InxGa1-xN. InxAl1-xN, BxGa1-xN, and BxAl1-xN alloys. They are based on a generalized quasi-chemical approximation and a pseudopotential-plane-wave method. T-x phase diagrams for the alloys are obtained, We show that due to the large difference in interatomic distances between the binary compounds a significant phase miscibility gap for the alloys is found. In particular for the InxGa1-xN alloy, we show also experimental results obtained from X-ray and resonant Raman scattering measurements, which indicate the presence of an In-rich phase with x approximate to 0.8. For the boron-containing alloy layers we found a very high value for the critical temperature for miscibility. similar to9000 K. providing an explanation for the difficulties encountered to grow these materials with higher boron content. The influence of a biaxial strain on phase diagrams, energy gaps and gap bowing of these alloys is also discussed. (C) 2002 Elsevier B.V. B.V. All rights reserved.

Relaxation effects on the negatively charged Mg impurity in zincblende GaN

The electronic structure of Mg impurity in zincblende (c-)GaN is investigated by using the ab initio full potential linear-augmented plane-wave method and the local density-functional approximation. Full geometry optimization calculations, including nearest and next-nearest neighbor displacements, are performed for the impurity in the neutral and negatively charged states. A value of 190 ± 10 meV was obtained for the Franck-Condon shift to the thermal energy, which is in good agreement with that observed in recent low temperature photoluminescence and Hall-effect measurements. We conclude that the nearest and next-nearest neighbors of the Mg impurity replacing Ga in C-GaN undergo outward relaxations which play an important role in the determination of the center acceptor energies.

N = 2 sigma models for Ramond-Ramond backgrounds

Using the U(4) hybrid formalism, manifestly N = (2,2) worldsheet supersymmetric sigma models are constructed for the type-IIB superstring in Ramond-Ramond backgrounds. The Kahler potential in these N = 2 sigma models depends on four chiral and antichiral bosonic superfields and two chiral and antichiral fermionic superfields. When the Kahler potential is quadratic, the model is a free conformal field theory which describes a flat ten-dimensional target space with Ramond-Ramond flux and non-constant dilaton. For more general Kahler potentials, the model describes curved target spaces with Ramond-Ramond flux that are not plane-wave backgrounds. Ricci-flatness of the Kahler metric implies the on-shell conditions for the background up to the usual four-loop conformal anomaly. © SISSA/ISAS 2002.

CO 2 adsorption on polar surfaces of ZnO

Physical and chemical adsorption of CO 2 on ZnO surfaces were studied by means of two different implementations of periodic density functional theory. Adsorption energies were computed and compared to values in the literature. In particular, it was found that the calculated equilibrium structure and internuclear distances are in agreement with previous work. CO 2 adsorption was analyzed by inspection of the density of states and electron localization function. Valence bands, band gap and final states of adsorbed CO 2 were investigated and the effect of atomic displacements analyzed. The partial density of states (PDOS) of chemical adsorption of CO 2 on the ZnO(0001) surface show that the p orbitals of CO 2 were mixed with the ZnO valence band state appearing at the top of the valence band and in regions of low-energy conduction band. [Figure not available: see fulltext.] © 2012 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.

Superfícies eletromagnéticas de microondas com controle do regime de trapped-mode

Neste trabalho foram investigadas (FSSs) com ressonância de alto fator de qualidade (fator Q) e independência da polarização para uma onda plana com incidência normal. Estas FSSs são baseadas em um arranjo planar de metalizações sobre um substrato. Um alto fator Q é obtido por meio da excitação do trapped-mode e a independência da polarização, por meio da alta simetria rotacional dos elementos que compõe o arranjo. Para o projeto de FSSs com controle do regime de trapped-mode, foram utilizados substratos feitos de materiais com possibilidade de controle de suas propriedades elétricas ou magnéticas (ferrite magnetizada ou silício ativado oticamente). O arranjo de dois anéis concêntricos em um substrato dielétrico analisado neste trabalho apresenta uma ressonância de trapped-mode com fator Q em torno de 12 e transmitância máxima de 70 %. Com a utilização de um substrato de ferrite magnetizada nesse arranjo, é mostrado que é possível deslocar a frequência de ressonância do trappedmode em torno de 20 %, sem degradação significativa da ressonância de transmisão. Com o emprego de um substrato de silício ativado opticamente, é demonstrado que é possível realizar um chaveamento praticamente completo da banda de transmissão desse arranjo. Para realização das simulações computacionais foram utilizados o método dos momentos no domínio espectral (SDMM) e os programas comerciais Ansoft Designer 5 Planar EM e CST 2009.

Influência de estruturas geológicas bidimensionais no campo geoeletromagnético na presença do eletrojato equatorial

A Terra atua como um grande magneto esférico, cujo campo assemelha-se àquele gerado por um dipolo magnético. Este campo apresenta mudanças de intensidade que variam com a localização e a hora local. A parte principal do campo geomagnético se origina no interior da Terra através de processos eletromagnéticos. Extensivos estudos mostraram ainda que existem contribuições de origem externa ao planeta, principalmente de origem solar. Dentre estas fontes há anomalias do campo magnético que surgem a partir de um aumento diurno da corrente elétrica em uma estreita faixa da ionosfera, de direção leste-oeste, centrada no equador magnético e denominada Eletrojato Equatorial (EEJ). Ocasionalmente estas correntes podem apresentar reversões de fluxo, sendo denominadas Contra-Eletrojato (CEJ). Vários autores têm estudado os efeitos do EEJ e CEJ sobre as observações geoeletromagnéticas. Eles estão interessados no efeito combinado do EEJ e estruturas geológicas condutivas 1-D e 2-D. Nestes trabalhos a estrutura 2-D sempre se apresentava paralela ao eletrojato, o que é uma hipótese bastante restritiva ao se modelar ambientes geológicos mais realistas, em que corpos bidimensionais podem ter qualquer strike em relação ao EEJ. Neste trabalho apresentamos a solução deste problema sem esta restrição. Assim, mostramos os campos geoeletromagnéticos devidos a estruturas bidimensionais que possuam strike oblíquo em relação ao EEJ, através de perfis dos campos elétrico e magnéticos calculados na superfície e formando direção arbitrária à heterogeneidade condutiva 2-D. Com esta resposta avaliamos ainda qual a influência que estruturas bidimensionais exercem sobre a resposta magnetotelúrica, sob influência do Eletrojato Equatorial. Durante o desenvolvimento deste trabalho, utilizamos o método de elementos finitos, tendo por fonte eletromagnética o EEJ e o CEJ, que por sua vez foram representados por uma combinação de distribuições gaussianas de densidade de corrente. Estas fontes foram decompostas nas direções paralela e perpendicular à estrutura 2-D, resultando nos modos de propagação TE₁ e TE₂ e TM acoplados, respectivamente. Resolvemos o modo acoplado aplicando uma Transformada de Fourier nas equações de Maxwell e uma Transformada Inversa de Fourier na solução encontrada. De acordo com os experimentos numéricos realizados em um modelo interpretativo da Anomalia Condutiva da Bacia do Parnaíba, formado por uma enorme estrutura de 3000 ohm-m dentro de um corpo externo condutivo (1 ohm-m), concluímos que a presença do CEJ causa uma inversão na anomalia, se compararmos com o resultado do EEJ. Concluímos também que para as frequências mais altas as componentes do campo elétrico apresentam menor influência da parte interna do corpo 2-D do que da parte externa. Já para frequências mais baixas este comportamento se observa com as componentes do campo magnético. Com relação à frequência, vimos os efeitos do “skin-depth”, principalmente nas respostas magnéticas. Além disso, quando a estrutura 2-D está paralela ao eletrojato, o campo elétrico é insensível à estrutura interna do modelo para todos os valores de frequência utilizados. Com respeito ao ângulo θ_h entre a heterogeneidade e a fonte, vimos que o modo TM se manifesta naturalmente quando θ_h é diferente de 0°. Neste caso, o modo TE é composto por uma parte devido à componente da fonte paralela à heterogeneidade e a outra devido à componente da fonte perpendicular, que é acoplada ao modo TM. Assim, os campos calculados têm relação direta com o valor de θ_h. Analisando a influência do ângulo entre a direção do perfil dos campos e o strike da heterogeneidade verificamos que, à medida que θ_h se aproxima de 90°, os campos primários tornam-se variáveis para valores de θ_p diferentes de 90°. Estas variações causam uma assimetria na anomalia e dão uma idéia da inclinação da direção do perfil em relação aos corpos. Finalmente, concluímos que uma das influências que a distância entre o centro do EEJ e o centro da estrutura 2-D, causa sobre as componentes dos campos está relacionado às correntes reversas do EEJ e CEJ, pois a 500 km do centro da fonte estas correntes têm máxima intensidade. No entanto, com o aumento da distância, as anomalias diminuem de intensidade. Nas sondagens MT, nós também usamos o EEJ e o CEJ como fonte primária e comparamos nossos resultados com a resposta da onda plana. Deste modo observamos que as componentes do campo geoeletromagnético, usadas para calcular a impedância, têm influência do fator de acoplamento entre os modos TE₂ e TM. Além disso, esta influência se torna maior em meios resistivos e nas frequências mais baixas. No entanto, o fator de acoplamento não afeta os dados magnetotelúricos em frequências maiores de 10^-2 Hz. Para frequências da ordem de 10^-4 Hz os dados MT apresentam duas fontes de perturbação: a primeira e mais evidente é devido à presença fonte 2-D (EEJ e CEJ), que viola a hipótese da onda plana no método MT; e a segunda é causada pelo acoplamento entre os modos TE₂ e TM, pois quando a estrutura bidimensional está obliqua à fonte 2-D temos correntes elétricas adicionais ao longo da heterogeneidade. Concluimos assim, que o strike de uma grande estrutura condutiva bidimensional relativamente à direção do EEJ ou CEJ tem de fato influência sobre o campo geomagnético. Por outro lado, para estudos magnetotelúricos rasos (frequências maiores de 10^-3 Hz) o efeito do ângulo entre a estrutura geológica 2-D e a direção do EEJ não é tão importante. Contudo, em estudos de litosfera frequências menores de 10^-3 Hz) o acoplamento entre os modos TE₂ e TM não pode ser ignorado.