石墨烯因其独特的电子结构和出色的光学特性，在光电子和非线性光学领域备受关注。然而，石墨烯的晶体结构为中心对称，意味着它本身难以产生二次谐波（SHG）。SHG是一种重要的非线性光学效应，广泛用于光学信号放大、激光技术和量子光学等领域。如果能有效激活石墨烯的SHG，将为光学器件的开发带来革命性突破。为了实现这一目标，研究人员探索了多种方法来打破石墨烯的对称性，比如施加电场、拉伸材料或引入外部刺激。但这些方法的效果有限，难以大幅度增强SHG信号。鉴于此，北京大学张锦院士团队提出了一种新的策略——通过调整石墨烯层的堆叠方式，形成扭曲的超结构（莫尔超晶格），从而极大地增强SHG信号。这种方法不仅提供了一种可控的增强SHG的方式，还拓宽了石墨烯在光电子器件中的应用前景。

利用扭曲堆叠来增强SHG

研究人员采用了一种被称为“堆叠工程”的策略，即将两层或多层石墨烯以一定角度错位叠加，使其形成莫尔超晶格。当两层石墨烯的原子排列发生微小偏移，就会破坏其原本的中心对称性，从而激活SHG效应。此外，这种扭曲结构还能引发强烈的电子相互作用，使SHG信号得到显著增强。实验中，研究人员制备了多种扭曲石墨烯样本，通过光谱分析发现，当石墨烯层数增加且扭曲角度适当时，SHG信号可以增强100倍，远超之前的研究成果。更值得注意的是，这种增强的SHG信号比传统的单层MoS₂还要高出近10倍，表明该策略在实际应用中极具潜力。

SHG信号的增强机制

研究人员通过实验和理论计算发现，扭曲石墨烯的SHG增强主要由以下两个因素驱动：

1. 结构对称性的破坏

在单层石墨烯中，由于其完美的中心对称性，SHG效应被抑制。但当两层或多层石墨烯被扭曲堆叠时，这种对称性会被破坏，从而激活SHG信号。特别是在t(1+2)LG（即一层单层石墨烯和一层双层石墨烯以一定角度扭曲堆叠）中，SHG信号比普通扭曲双层石墨烯（t(1+1)LG）增强了90-100倍。这说明，在更复杂的多层结构中，SHG可以进一步增强。

2. 光与物质的相互作用增强

除了对称性破坏，扭曲石墨烯还可以增强石墨烯内部的光-物质相互作用，特别是在共振条件下。当激光照射到扭曲石墨烯上时，电子的运动会受到强烈调制，形成新的电子态，进一步增强了SHG信号。此外，研究发现，扭曲角度越接近13°，SHG信号越强，这是因为这种角度能最有效地引发光的共振增强效应。

石墨烯在光电子器件中的新机会

这种新型的扭曲石墨烯结构在多个领域具有广阔的应用前景，特别是在光通信、超快光学和量子信息技术中。

1. 超快光学器件

SHG效应可以用于超快光学开关、频率转换器等设备。传统的SHG材料通常依赖于复杂的晶体结构，而扭曲石墨烯提供了一种更加灵活且高效的方案。通过精确控制石墨烯的扭曲角度和层数，研究人员可以设计出性能卓越的非线性光学元件，用于激光调制和光信号放大。

2. 光通信与信息处理

现代光通信技术依赖于高效的光学调制和频率转换，而SHG是实现这些功能的关键。扭曲石墨烯由于其高效的SHG响应，可以用于构建新一代的光学调制器和光子计算芯片，提高数据传输速度并降低功耗。

3. 量子光学和光子学

SHG效应在量子光学中也至关重要，例如用于产生纠缠光子对和光子放大。扭曲石墨烯的SHG特性使其成为量子计算和量子通信系统中的潜在核心材料。相比于传统的量子光学材料，石墨烯的超薄特性使其更易于集成到微型光子器件中。

推动石墨烯光学器件的发展

这项研究为石墨烯在光电子领域的应用提供了全新的思路。通过精确控制扭曲角度和层数，研究人员可以进一步优化SHG性能，使其应用更加广泛。未来的研究可能会探索其他二维材料与扭曲石墨烯的复合结构，以获得更强的非线性光学效应。此外，工业化应用仍需解决一些技术挑战，例如如何大规模、低成本地制造高质量的扭曲石墨烯结构。目前，化学气相沉积（CVD）和“撕裂-堆叠”方法是最常见的制备技术，但仍有待优化，以提高生产效率和一致性。总之，这一突破为未来的超快光学器件、光通信系统和量子光子学提供了全新的可能性，展现了石墨烯在非线性光学领域的巨大潜力。未来，随着材料制备技术的进步和工业化方案的优化，扭曲石墨烯有望成为新一代光电子器件的重要组成部分，推动光子技术的发展。