Lecture -- Solid State Electromagnetics...periodic lattices. We have tomake generalizations to do...

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9/2/2019 1 Advanced Electromagnetics: 21 st Century Electromagnetics Solid State Electromagnetics Lecture Outline Periodic devices Math describing periodic structures Electromagnetic waves in periodic structures Electromagnetic bands Isofrequency contours Appendix Hexagonal lattices Brillouin zones Slide 2 1 2

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Advanced Electromagnetics:

21st Century Electromagnetics

Solid State Electromagnetics

Lecture Outline

•Periodic devices•Math describing periodic structures• Electromagnetic waves in periodic structures• Electromagnetic bands• Isofrequency contours•Appendix• Hexagonal lattices• Brillouin zones

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Periodic Devices

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Examples of Periodic Electromagnetic Devices

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Diffraction Gratings

Antennas

Waveguides Band Gap Materials

Frequency Selective Surfaces

Metamaterials

Slow Wave Devices

3

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What is a Periodic Structure?

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Periodicity at the Atomic Scale Larger‐Scale Periodicity

Materials are periodic at the atomic scale.   Metamaterials are periodic at a much larger scale, but smaller than a wavelength.The math describing how things are periodic is the same for both atomic scale and larger scale. 

Describing Periodic Structures

• There is an infinite number of ways that structures can be periodic.• Despite this, we need a way to describe and classify periodic lattices.  We have to make generalizations to do this.•We classify periodic structures into:

• 230 space groups• 32 crystal classes• 14 Bravais lattices• 7 crystal systems

Slide 6

Less specific.More generalizations.

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Symmetry Operations (Animated)

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Infinite crystals are invariant under certain symmetry operations that involve:

PureTranslation

PureRotation

PureReflection

Combinations

Symmetry Operations (Static)

Slide 8

Infinite crystals are invariant under certain symmetry operations that involve:

Pure Translation Pure Rotation

Pure Reflections Combinations

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Definition of Symmetry Categories

• Space Groups• Set of all possible combinations of symmetry operations that restore the crystal to itself.

• 230 space groups• Bravais Lattices

• Set of all possible ways a lattice can be periodic if composed of identical spheres placed at the lattice points.

• 14 Bravais lattices• Crystal Systems

• Set of all Bravais lattices that  have the same holohedry (shape of the conventional unit cell)

• 7 crystal systems

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The 14 Bravais Lattices and the Seven Crystal Systems

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Two‐Dimensional Bravais Lattices

Slide 11Axis vectors = translation vectors for 2D lattices

1t

2t

1t

2t

1t

2t

1t

2t

1t

2t

1 2 120t t

1 2 90t t

1 2 90t t

Rhombic (Centered Rectangular)Rectangular Oblique

SquareHexagonal

1 22cos 90t t

1 2 90t t

Hybrid Symmetries

Slide 12

FCC Symmetry Diamond = FCC + FCC Zinc Blend

* GaAs

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Hexagonal Symmetry Has Optimal Packing Density in 2D

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2

sq

rf

a

2

hex

2

3

rf

a

hex

sq

21.1547

3

f

f

Electromagnetic behavior from hexagonal arrays tends to be at lower frequencies than compared to square arrays.  This means feature sizes can be larger than they would be for square arrays.  This is important at high frequencies and photonics where small features may be more difficult to realize.

Math Describing Periodic

Structures

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13

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Primitive Lattice Vectors

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Axis vectors most intuitively define the shape and orientation of the unit cell.  They cannot uniquely describe all 14 Bravaislattices, but they do uniquely identify the 7 crystal systems.

Primitive lattice vectors are the smallest possible vectors that still describe the unit cell.

Translation vectors connect adjacent points in the lattice and can uniquely describe all 14 Bravais lattices.  They are less intuitive to interpret.

Axis  Translation Vectors

Slide 16

1 1

2 2

3 3

1 0 0

0 1 0

0 0 1

t a

t a

t a

1 1

2 2

3 3

1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 1 2

1 2 1 2 1 2

t a

t a

t a

1 1

2 2

3 3

0 1 2 1 2

1 2 0 1 2

1 2 1 2 0

t a

t a

t a

1 1

2 2

3 3

1 2 1 2 0

1 2 1 2 0

0 0 1 2

t a

t a

t a

1 1

2 2

3 3

1 1 3 1 3

1 3 1 3 1 3

1 3 1 1 3

t a

t a

t a

Simple

Body‐Centered

Face‐Centered

Base‐Centered

Trigonal

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Non‐Primitive Lattice Vectors

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Almost always, the label “lattice vector” refers to the translation vectors, not the axis vectors.

A translation vector is any vector that connects two points in a lattice.  They must be an integer combination of the primitive translation vectors.

1 2 3pqrt pt qt rt

, 2, 1,0,1, 2,

, 2, 1,0,1, 2,

, 2, 1,0,1, 2,

p

q

r

1t

2tPrimitive 

translation vectors

The Reciprocal Lattice (1 of 10)

Slide 18

Vectors     ,     , and define the direct lattice.

1t

2t

3t

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The Reciprocal Lattice (2 of 10)

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and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of 3.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

1t

2t

3T

33

2T

The Reciprocal Lattice (3 of 10)

Slide 20

and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of 2.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

1t

3t

2T

22

2T

19

20

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The Reciprocal Lattice (4 of 10)

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and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of 1.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

2t

3t

1T

11

2T

The Reciprocal Lattice (5 of 10)

Slide 22

Vectors     ,     , and define the reciprocal lattice.

1T

2T

3T

21

22

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The Reciprocal Lattice (6 of 10)

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and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of a3.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

1T

2T

3t

33

2t

a

The Reciprocal Lattice (7 of 10)

Slide 24

and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of a2.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

1T

3T

2t

22

2t

a

23

24

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The Reciprocal Lattice (8 of 10)

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and      define a plane.

This plane repeats itself through the lattice with a spacing of a1.

is defined to be perpendicular to these planes with magnitude

2T

3T

1t

11

2t

a

The Reciprocal Lattice (9 of 10)

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Vectors     ,     , and define the direct lattice.

1t

2t

3t

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The Reciprocal Lattice (10 of 10)

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Direct Lattice Reciprocal Lattice

Each direct lattice has a unique reciprocal lattice so knowledge of one implies knowledge of the other.

Reciprocal Lattices (2 of 2)

Slide 28

Direct Lattice Reciprocal Lattice

Simple Cubic Simple Cubic

Body‐Centered Cubic Face‐Centered Cubic

Face‐Centered Cubic Body‐Centered Cubic

Hexagonal Hexagonal

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Calculating the Reciprocal Lattice Vectors (1 of 4)

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The area of this parallelogram is calculated from the magnitude of the cross product…

2 3A t t

Calculating the Reciprocal Lattice Vectors (2 of 4)

Slide 30

1 2 3V t t t

The volume of this parallelpiped is calculated using the scalar triple product.

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30

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Calculating the Reciprocal Lattice Vectors (3 of 4)

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V

A

The distance  between the planes is

1 2 3

2 3

t t t

t t

Calculating the Reciprocal Lattice Vectors (4 of 4)

Slide 32

1

2T

The reciprocal lattice vector has a magnitude of

2 31

2 31

t tT

t tT

and direction of

2 31 1

2 3

t tT T

t t

2 3

2 3

2 t t

t t

2 3

1 2 3 2 3

2 3

2 t t

t t t t t

t t

2 3

1 2 3

2t t

t t t

31

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Reciprocal Lattice Vectorsfor 3D Lattices

Slide 33

The reciprocal lattice vectors can be calculated from the direct lattice vectors (and the other way around) as follows:

2 3 3 1 1 21 2 3

1 2 3 1 2 3 1 2 3

2 3 3 1 1 21 2 3

1 2 3 1 2 3 1 2 3

2 2 2

2 2 2

t t t t t tT T T

t t t t t t t t t

T T T T T Tt t t

T T T T T T T T T

There also exists primitive reciprocal lattice vectors.  All reciprocal lattice vectors must be an integer combination of the primitive reciprocal lattice vectors.

1 2 3PQRT PT QT RT , 2, 1,0,1, 2,

, 2, 1,0,1,2,

, 2, 1,0,1, 2,

P

Q

R

Reciprocal Lattice Vectorsfor 2D Lattices

Slide 34

The reciprocal lattice vectors can be calculated from the direct lattice vectors (and the other way around) as follows:

2,

2,1 21

2 y

x

t

tt tT

1,

1,2

1 2

2 y

x

t

tT

tt

2,

2,1 2

1

2 y

x

T

TT Tt

1,

1,2

1 2

2 y

x

T

Tt

TT

33

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Grating Vector 𝐾

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A grating vector 𝐾 is very much like a wave vector 𝑘 in that its direction is normal to planes and its magnitude is 2 divided by the spacing between the planes.

avg cosr r K r

ˆ ˆ ˆr xx yy zz

position vector

ˆ ˆ ˆx y zK K x K y K z

Reciprocal Lattice Vectors are Grating Vectors

Slide 36

Reciprocal lattice vectors are grating vectors!!

2a a

a

T K

There is a close and elegant relationship between the reciprocal lattice vectors and wave vectors.  For this reason, periodic structures are often analyzed in reciprocal (grating vector) space.

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Miller Indices

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Miller indices identify repeating planes within periodic structures like crystals.

Recall the definition of a reciprocal lattice vector…

1 2 3PQRT PT QT RT

P, Q, and R are the Miller indices of the planes 

described by the reciprocal lattice vector 𝑇 .

PQR

Primitive Unit Cells

Slide 38

Primitive unit cells are the smallest volume of space that can be stacked onto itself (with no voids and no overlaps) to correctly reproduce the entire lattice.

The Wigner‐Seitz cell is one method of constructing a primitive unit cell.  It is defined as the volume of space around a single point in the lattice that is closer to that point than any other point in the lattice.  A proper unit cell contains only one “atom.”

These illustrations show the relationship between the conventional unit cell (shown as frames) and the Wigner‐Seitz cell (shown as volumes) for the three cubic lattices.

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Constructing the Wigner‐SeitzPrimitive Unit Cell (1 of 2)

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BCC Conventional Unit Cell Wigner‐Seitz Unit Cell

How to we construct this?

Constructing the Wigner‐SeitzPrimitive Unit Cell (2 of 2)

Slide 40

Step 1 – Pick a point in the lattice to build the unit cell around.Step 2 – Construct planes that bisect the region between all adjacent points.Step 3 – The unit cell is the region enclosed by all of the planes.

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Brillouin Zones

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The Brillouin zone is constructed in the same manner as the Wigner‐Seitz unit cell, but it is constructed from the reciprocal lattice.

The Brillouin zone is closely related to wave vectors and diffraction so analysis of periodic structures is often performed in “reciprocal space.”

The Brillouin zone for a face‐centered‐cubic lattice is a “truncated” octahedron with 14 sides.

This is the most “spherical” of all the Brillouinzones so the FCC lattice is said to have the highest symmetry of the Bravais lattices.

Of the FCC lattices, diamond has the highest symmetry.

Different Brillouin Zones

Slide 42

1st

2nd

3rd4th

http://www.eelvex.net/physics/finding‐brillouin‐zones‐a‐visual‐guide/

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Degree of Symmetry

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The degree of symmetry refers to how spherical the Brillouin zone is.

Triclinic Pseudo‐periodic

HighestSymmetry

LowestSymmetry

SC BCC FCC Diamond(FCC)

Exploiting Additional Symmetry

Slide 44

If the field is known at every point inside a single unit cell, then it is also known at any point in an infinite lattice because the field takes on the same symmetry as the lattice so it just repeats itself.

Since the reciprocal lattice uniquely defines a direct lattice, knowing the solutions to the wave equation at each point inside the reciprocal lattice unit cell also defines the solution everywhere in the infinite reciprocal lattice.

Many times, there is still additional symmetry to exploit.  So, the smallest volume of space that completely describes the electromagnetic wave can be smaller than the unit cell itself.

The field in each of these squares is a mirror image of each other.

Due to the symmetry in this example, the field at any point in the entire lattice can be mapped to an equivalent point in this triangle.

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The Irreducible Brillouin Zone

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The smallest volume of space within the Brillouin zone that completely characterizes the periodic structure is called the irreducible Brillouin zone (IBZ).  It is smaller than the Brillouin zone when there is additional symmetry to exploit.

Electromagnetic Waves in Periodic

StructuresSlide 46

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Waves are Perturbed by Objects

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k

When a portion of a wave propagates through an object, that portion is delayed.

Thus, a wave gets perturbed by the object.

Fields in Periodic Structures

Slide 48

Waves in periodic structures take on the same symmetry and periodicity as their host.

k

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The Bloch Theorem

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Waves inside of a periodic structure are like plane waves, but they are modulated by an envelope function.  It is the envelope function that takes on the same symmetry and periodicity as the structure.

j rA r eE r

Overall field is the combination of the envelope and plane wave term.

Envelope function has the same symmetry and periodicity as the periodic structure.

Plane‐wave like phase “tilt” term.

Bloch wave vector

Example Waves in a Periodic Lattice

Slide 50

Wave normally incident onto a periodic structure.

Wave incident at 45° onto the same periodic structure.

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Mathematical Description of Periodicity

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A structure is periodic if its material properties repeat.  Given the lattice vectors, the periodicity is expressed as

1 2 3 pqr pqrr t r t pt qt rt

Recall that it is the amplitude of the Bloch wave that has the same periodicity as the structure the wave is in.  Therefore,

1 2 3 pqr pqrA r t A r t pt qt rt

Example – 1D Periodicity

Slide 52

For a device that is periodic only along one direction, these relations reduce to

, , , ,

, , , ,

x

x

x p y z x y z

A x p y z A x y z

x

x

x p x

A x p A x

more compact

notation

Many devices are periodic along just one dimension.

x

yz

x

, , 2, 1,0,1,2, ,p

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Electromagnetic Bands

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Band Diagrams (1 of 2)

Slide 54

Band diagrams are a compact, but incomplete, means of characterizing the electromagnetic properties of a periodic structure.  It is essentially a map of the frequencies of the eigen‐

modes as a function of the Bloch wave vector 𝛽.

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Band Diagrams (2 of 2)

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To construct a band diagram, we make small steps around the perimeter of the irreducible Brillouin zone (IBZ) and compute the eigen‐values at each step.  When we plot all these eigen‐values as a function of , the points line up to form continuous “bands.”

Norm

alized

 Frequen

cy

Animation of the Construction of a Band Diagram

Slide 56

55

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2D Animation of Bands and Bloch Waves

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Reading Band Diagrams

• Band gaps• Absence of any bands within a range of frequencies indicates a band gap.• A COMPLETE BAND GAP is one that exists over all possible Bloch wave vectors.

• Transmission/reflection spectra• Band gaps lead to suppressed transmission and enhanced reflection

• Phase velocity• The slope of the line connecting  to the point on the band corresponds to phase velocity.• From this, we get the effective phase refractive index.

• Group velocity• The slope of the band at the point of interest corresponds to the group velocity.• From this, we get the effective group refractive index.

• Dispersion• Any time the band deviates from the “light line” there is dispersion.  • The phase and group velocity are the same except when there is dispersion.

Slide 58

At least five electromagnetic properties can be estimated from a band diagram.

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Reading Band Diagrams

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The Band Diagram is Missing Information

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x

y

y

x

M

X

Direct lattice: We have an array of air holes in a dielectric with n=3.0.

Reciprocal lattice: We construct the band diagram 

by marching around the perimeter of the irreducible 

Brillouin zone.

The band extremes “almost” always occur at the key points of symmetry.

But we are missing information from inside the Brillouin zone.

59

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x y

0

a

The Complete Band Diagram

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The Full Brillouin Zone…

y

a

a

0

a 0 a

xThere is an infinite set of eigen‐frequencies associated with each point in the Brillouin zone.  These form “sheets” as shown at right.

ΓX

M

ΓX

M

Animation of Complete Photonic Band Diagram

Slide 62

61

62

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Relation Between the Complete Band Diagram and the Band Diagram (1 of 4)

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We start with the full band diagram.

M

x y

02

a

c

IBZ

Relation Between the Complete Band Diagram and the Band Diagram (2 of 4)

Slide 64

We raise walls around the perimeter of the irreducible Brillouinzone.

These walls slice through the bands.

x y

02

a

c

M

IBZ

63

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Relation Between the Complete Band Diagram and the Band Diagram (3 of 4)

Slide 65

We focus only on the intersections of the walls and the bands.

02

a

c

M

IBZ

x y

Relation Between the Complete Band Diagram and the Band Diagram (4 of 4)

Slide 66

We unfold the walls to reveal the ordinary band diagram.

02

a

c

ΓX

M

Γ

x y

65

66

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Calculating Isofrequency

Contours(i.e. Index Ellipsoids for

Periodic Structures)

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Recall Phase Vs. Power Flow

Slide 68

Isotropic Materials

k

P

x

y

Anisotropic Materials

k

x

y

Power propagates in the direction of P which is always normal to the surface of the index ellipsoid.  From this, we can define a group velocity and a group refractive index.

P

Phase propagates in the direction of k.  Therefore, the refractive index derived from |k| is best described as the phase refractive index.  Velocity here is the phase velocity.

67

68

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Isofrequency Contours From First‐Order Band

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02

a

c

aa

a

a0

0

y x

02

a

c

aa

a

a0

0

y x

Isofrequency contours are mostly circular.  Not much interesting here.  

Isofrequency From Second‐Order Band

Slide 70Index ellipsoids are “isofrequency contours” in k‐space.

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Standard View of Isofrequency Contours

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Index ellipsoids in periodic structures are very interesting and useful because they can be things other than ellipsoids.  They tend to resemble the shape of the Brillouin zone.

xa

ya

Example Applications

Slide 72

Self‐Collimation Negative Refraction

71

72

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APPENDIX

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Geometry of a Hexagonal Lattice (1 of 3)

Slide 74

73

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Geometry of a Hexagonal Lattice (2 of 3)

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1

2

3

3ˆ ˆ

2 2

3ˆ ˆ

2 2ˆ

a at x y

a at x y

t cz

1

2

3

2 2ˆ ˆ

32 2

ˆ ˆ3

ˆ2

T x ya a

T x ya a

T c z

Direct Lattice Reciprocal Lattice

x

y

z

1t

2t

a

c

x

y

z

1T

2T

2 a

2

c

conventional unit cell

Geometry of a Hexagonal Lattice (3 of 3)

Slide 76

Brillouin Zone and Irreducible Brillouin Zone

x

y

z conventional reciprocal unit cell

Brillouin zone (BZ)

Irreducible Brillouin zone (IBZ)

H L

MK

A 122

1 11 23 3

132

1 12 32 2

1 1 11 2 33 3 2

0

T

T T

T

T T

T T T

Γ

M

K

A

L

H

75

76