[论文解读] Graphene-assisted resonant transmission and enhanced Goos-Hänchen shift in a frustrated total internal reflection configuration

Yi Chen, Yue Ban+2 more|arXiv (Cornell University)|Jan 11, 2026

Quantum optics and atomic interactions被引用 0

一句话总结

论文展示了在石墨烯涂层的双棱镜傅里叶变换红外（FTIR）中实现共振传输和通过表面等离子体实现的大且可调Goos-Hänchen（GH）位移，优于金属阱并支持基于石墨烯的电光器件。

ABSTRACT

Graphene-assisted resonant transmission and enhanced Goos-Hänchen shift are investigated in a two-prism frustrated-total-internal-reflection configuration. Due to the excitation of surface plasmons induced by graphene in low terahertz frequency range, there exist the resonant transmission and anomalous Goos-Hänchen shifts in such optical tunneling configuration. As compared to the case of quantum well, graphene sheet with unique optical properties can enhance the resonant transmission with relatively low loss, and modulate the large negative and positive Goos-Hänchen shifts by adjusting chemical potential or electron relaxation time. These intriguing phenomena may lead to some potential applications in graphene-based electro-optic devices.

研究动机与目标

• 在 THz 频率下，研究涂覆有石墨烯的双棱镜 FTIR 设置中的共振传输。
• 探讨石墨烯诱导的表面等离子体如何实现传输共振和大的 GH 位移。
• 将石墨烯涂层 FTIR 与金属量子阱涂层在传输和 GH 位移方面进行比较。
• 展示石墨烯参数（化学势、弛豫时间）如何调制 GH 位移和传输。
• 讨论基于石墨烯的电光器件在应用中的潜在前景。

提出的方法

• 用石墨烯涂层在 x=0 和 x=a 的双棱镜 FTIR 架构建模。
• 从边界条件推导传输系数 t，边界条件包括石墨烯表面电流 J=σE（式(1)）。
• 计算透射率 T=|t|^2 和 GH 位移 s=Im(∂ln t/∂k_y)（采用驻相近似，式(2)）。
• 使用 THz 范围内的石墨烯导电率（由带内形式 σ_intra 与高掺杂极限 σ(ω)=ieμ/(πħ(ω+i/τ))（式(3)–(4)）给出。
• 将石墨烯介电常数 ε=1+iσ/(ωε0 t_g) 与有效厚度 t_g 联系起来，并分析损耗制度（式(5)）。
• 与用 Drude 型导电的体银（式(7)）的金属量子阱涂层比较，并讨论损耗。

Figure 1: (Color online) Schematic diagram of GH shift in transmission in FITR configuration by coating graphene sheets, where $\theta_{0}$ is the central angle of incidence, $a$ is the air gap thickness and shallow parts denote the graphene sheet.

实验结果

研究问题

• RQ1 石墨烯涂层如何影响双棱镜 FTIR 系统中的共振传输？
• RQ2 石墨烯是否能在 FTIR 中诱导出大且可调的 GH 位移，化学势和弛豫时间如何影响它们？
• RQ3 在 FTIR 中，石墨烯相对于金属量子阱涂层在传输和 GH 位移方面的性能有何差异？
• RQ4 在 THz 到可见波段，石墨烯基电光器件有哪些潜在应用意义？

主要发现

• 石墨烯涂层显著提升 THz FTIR 的透射率，因为来自石墨烯诱导的表面等离子体的共振。
• 在某些入射角下，即使存在损耗，共振传输也可达到 T=1，而非普通的 FTIR。
• 石墨烯能够实现可通过化学势 μ 和弛豫时间 τ 调控的大型负向或正向 GH 位移。
• 相比金属量子阱，石墨烯提供低损耗且可通过偏置控制的 GH 位移，具备实际应用潜力。
• GH 位移和透射率受 μ 与 τ 调制，在合适条件下，当共振传输较高时可获得更大的绝对 GH 位移。
• 在可见区域，石墨烯对 GH 位移的增强不如在 THz 区域显著，因为在石墨烯中表面等离子体起主导作用。

Figure 2: (Color online) Transmittivity (a) and GH shift (b) versus the incidence angle $\theta_{0}$ in FTIR configuration coating with graphene (solid red) and metal quantum well (dotted-dash green) in the THz frequency region. The ordinary FTIR configuration (dashed blue) is also compared. Paramet