石墨烯-六方氮化硼多层超晶格中Goos-H?nchen位移的增强调控及其在宽频段光学器件中的应用

研究人员针对传统材料中Goos-H?nchen位移(GHS)调控范围有限的问题，开展了石墨烯(G)-六方氮化硼(hBN)多层超晶格(GhMHC)的光学特性研究。通过转移矩阵法(TMM)和驻波相位法(SPM)，实现了从远红外(FIR)到近红外(NIR)宽频段的GHS增强调控，位移量可达入射波长的100倍。该研究为开发新型光学传感器、温度探测器和超透镜提供了重要理论基础。

　　

在光学研究领域，Goos-H?nchen位移(GHS)作为一种重要的光学现象，在传感器、光学开关和医疗诊断等领域具有广泛应用前景。然而，传统材料中的GHS调控面临着频率范围窄、位移量小等瓶颈问题。特别是在六方氮化硼(hBN)等双曲晶体材料中，GHS通常仅能在其两个特征性的剩余射线带(RB1和RB2)边界附近被观测到，且调控手段有限。如何实现宽频段、大位移量的GHS调控，成为光学器件设计中的关键挑战。

针对这一科学问题，研究人员开展了石墨烯-六方氮化硼多层超晶格(GhMHC)的光学特性研究。该研究创新性地将石墨烯的温度和化学势可调特性与hBN的光学各向异性相结合，通过理论建模和数值计算，系统研究了这一复合结构中的GHS行为。相关成果发表在《Optics》期刊上。

研究采用了三个关键技术方法：1) 转移矩阵法(TMM)计算菲涅尔系数，用于分析s和p偏振光的反射和透射特性；2) 驻波相位法(SPM)计算GHS，通过分析反射相位梯度与入射角的关系获得位移量；3) 石墨烯的Kubo模型，用于描述其与温度、化学势相关的光学电导率特性。

在"Anisotropic single layer"部分，研究人员首先建立了单层hBN的理论模型。通过求解麦克斯韦方程组，推导出各向异性介质中的电磁场分布，并利用TMM计算了反射和透射系数。结果表明，有限厚度的hBN薄层可以在RB1和RB2的左右边界以及带内外产生显著的GHS，突破了半无限大hBN表面仅能在RB右边界观测到GHS的限制。

在"Graphene-hBN multilayer hyper crystal"部分，研究团队将石墨烯作为各向异性介质引入体系。通过Kubo模型描述了石墨烯电导率随温度(T)和化学势(μ_c
)的变化关系，发现石墨烯的介电常数在特定频率存在零点交叉点(ZCPs)，这些点对GHS调控至关重要。研究显示，增加化学势会使ZCPs向高频移动，而增加石墨烯层数(N)则使其向低频移动，这为GHS的主动调控提供了有效手段。

"Numerical results and discussion"部分展示了详细的数值计算结果。在远红外区域，GhMHC结构不仅能在RB边界产生GHS，还能在带间区域(f(RB1)<><>_h
)的增加会减小GHS峰幅度，而石墨烯的引入则可以放大和反转这些峰。

这项研究的重要意义在于：首先，通过构建GhMHC结构，首次实现了从FIR到NIR宽频段的GHS调控，位移量可达入射波长的100倍，远超传统材料。其次，揭示了石墨烯参数(μ_c
, T, N)与GHS特性的定量关系，为主动调控提供了明确指导。第三，发现了透射GHS的新特性，拓展了GHS的应用维度。这些成果为开发新型光学传感器、温度探测器和超透镜等器件奠定了重要理论基础，特别是在需要宽频段、大位移量调控的光学系统中具有突出应用价值。