吴施伟课题组首次发现三层石墨烯中堆叠对称性调控的二次谐波非线性光学效应
发布时间: 2018-06-19     文章作者:     访问次数: 744

近日,我系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。美国东部时间615日,研究成果以《三层石墨烯中堆叠对称性调控的二阶谐波产生》(“Stacking-symmetry governed second harmonic generation in graphene trilayers”)为题在线发表于《科学·进展》(Science·Advances)。我系教授吴施伟为本文的通讯作者,课题组博士研究生单雨薇为本文的第一作者。


(A)和(B):ABA和ABC堆叠结构的三层石墨烯原子结构示意图。前者是中心反演对称破缺的,有二次谐波(SHG)。而后者是中心反演对称的,图上的红色圆点为中心反演对称点。
(C)和(D):不同层数石墨烯的光学显微照片和二次谐波图。从SHG获得的晶格取向示意图标注在图C上。
(E):不同堆叠结构的三层石墨烯的非线性光谱。


二次谐波是一种二阶非线性光学效应,它的产生需要被探测材料满足中心反演对称破缺的要求,对于中心反演对称的结构是无法观察到二次谐波的。但是当材料维度从三维降至两维,将单原子层中心反演对称的结构如同乐高积木一样进行有序的堆叠,结果又是怎样的呢?是保持单层结构的性质不具有二次谐波信号,还是体现其堆叠结构整体的对称性呢?对此,吴施伟给出了猜想,“当堆叠后的整体结构的中心反对称性被打破时,堆叠后的结构可探测到二次谐波信号”。在三层石墨烯体系中的研究结果证明了这一猜想的正确性,同时这一机制对于其他与石墨烯具有相同对称性的单层材料也同样适用。该机制的发现为二次谐波技术提供了新的应用领域,不仅仅局限于研究中心反演对称破缺的材料,也可以应用于中心反演对称材料不同堆叠结构的研究。对于这一机制,吴施伟给出了非常生动的解释,“这和《道德经》中阐述的道理是相通的:‘天下万物生于有,有生于无’,简单的说就是‘无中生有’。”

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。三层石墨烯取决于不同的堆叠方式,具有丰富多样的堆叠结构,且因层间耦合的不同而具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,但是不同堆叠结构的拉曼光谱信号弱、差别小,而红外近场的技术要求高、成像慢,都不是非常理想的表征手段。吴施伟课题组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。课题组还通过二次谐波技术同时获得了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。

据介绍,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。合作者还包括我学系教授刘韡韬和香港大学物理系教授姚望等。



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