狄拉克半金属的古斯-汉欣效应研究

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当光束在两种不同介质的界面反射时,反射光束偏离了几何期望的路径,并有一个平移。这一平移被称为Goos-H?nchen(GH)位移。鉴于其物理内涵和潜在的应用,GH位移已经在很多材料中被研究,如电介质、金属、光子晶体、ε近零超材料、二维狄拉克半金属-石墨烯等。三维狄拉克半金属材料具有稳定的化学状态,超高的载流子迁移率,具有广阔的应用前景,研究该材料的GH位移对于后续的研究和应用具有重要意义。在本文中利用稳态相位法研究了三维狄拉克半金属材料表面上的古斯-汉欣位移。依据介电函数的实部,区分了三维狄拉克半金属的高、低损耗电介质响应和金属响应。仅在金属响应区域,大的相位变化才会导致大的GH位移。在金属响应区,当TE偏振光入射时,随着费米能级的增加,GH的位移总是为正且接近于零;而当TM偏振光入射时,GH位移总是为负,只有极小值。此外,随着温度的降低,GH位移的红移、振幅增强和角度位置的变化也会被观察到。最后,讨论了GH位移依赖光波长、光入射角度和狄拉克半金属层厚度的变化关系。分析了三维狄拉克半金属与石墨烯结合的红外波段的GH效应,并与石英玻璃的GH效应进行了对比。结果表明:覆盖石墨烯加剧了反射光相位的变化,明显增强了GH位移,改变了GH位移的正负。TM偏振的光以布儒斯特角入射时,覆盖有石墨烯的三维狄拉克半金属的GH位移出现正向峰。三维狄拉克半金属的GH位移对于平板厚度比石英玻璃敏感,随平板厚度变化出现振荡峰。在金属响应区域和高损耗电介质响应区域,GH位移接近零;在无损耗电介质响应区域,GH位移随波长变化呈现振荡特性。使用有限元多物理场软件COMSOL对三维狄拉克半金属材料的GH效应进行仿真模拟分析。通过改变入射光波长、入射角以及费米能这三个参数,发现在TE/TM入射光下,随着入射光波长、入射角以及费米能的变化,GH位移的变化与稳态相位法计算得出的变化趋势总体相近。
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