复旦大学吴施伟课题组首次观测到了一种新颖的由三层中心反演对称的石墨烯单层堆叠产生的二次谐波非线性光学效应。该机制的发现为二次谐波技术提供了新的应用领域，不仅仅局限于中心反演对称破缺材料的研究，也可以用于中心反演对称材料不同堆叠结构的研究。

二次谐波是一种二阶非线性光学效应。在电偶极矩近似下，二次谐波的产生需要被探测材料满足中心反演对称破缺的要求。在中心反演对称的结构如单层石墨烯中是几乎无法观察到二次谐波的。然而，在单层石墨烯堆叠所形成的整体结构中，总的中心反演对称性可以被打破，并可从该结构探测到很强的二次谐波信号，产生了“0+0≠0”的有趣现象。研究人员在三层石墨烯体系的不同堆叠结构中首次观测到了这一现象。同样的机制也适用于其他与石墨烯具有类似对称结构的材料。

图1 （A）ABA堆叠结构的三层原子结构示意图。（SHG指二次谐波）;（B）ABC堆叠结构的三层原子结构，原子结构上的红色圆点为中心反演对称点

这一新的二次谐波非线性光学效应的发现为研究三层石墨烯中不同堆叠结构的新奇物性提供了新方法。取决于不同的堆叠方式，三层石墨烯具有丰富多样的堆叠结构，并且因层间耦合的不同而具有不同的能带结构和迥异的物理性质，如ABA堆叠的三层石墨烯是半金属，而ABC堆叠的是能隙可调的半导体。理论也预言了许多新奇有趣的现象，包括物理学界最近热点关注的平带超导等。在此之前对于不同堆叠结构的判断主要通过拉曼光谱技术和红外近场技术。但是不同堆叠结构在拉曼光谱上信号弱、差别小，而近场红外技术要求高、成像慢，都不是非常理想的表征手段。

吴施伟团队基于堆叠二次谐波机制，使用二次谐波成像技术成功实现了对ABC堆叠和ABA堆叠两种不同堆叠结构的三层石墨烯快速、无损的判别。这种高效无损的二次谐波成像技术会是研究和判别不同堆叠结构的三层石墨烯的福音。并且通过二次谐波技术也将同时获得三层石墨烯以及周围相连近邻石墨烯的晶轴方向的信息，这将为石墨烯的研究引入晶轴方向这一新的维度，打开研究石墨烯新奇物理性质的新大门。

图2 （A）不同层数石墨烯的光学显微照片；（B）不同堆叠结构的三层石墨烯二次谐波信号成像，对应图A的相同区域；（C）不同堆叠结构的三层石墨烯的光谱

研究成果以Stacking symmetry governed second harmonic generation in graphene trilayers为题在线发表在Science Advances [4(6): eaat0074 (2018)]上。论文第一作者为复旦大学单雨薇博士,通讯作者为吴施伟教授，合作者还包括物理学系刘韡韬教授和香港大学姚望教授等。

该研究工作得到了自然科学基金委、科技部重大研究计划和重点研发专项计划、上海市科委和复旦大学等经费的支持。

文章链接：http://advances.sciencemag.org/content/4/6/eaat0074