二维铁电材料中的纯体轨道与自旋光电流

我们通过非线性响应理论阐明了光诱导的轨道与自旋电流，该理论将中心对称性破缺材料中著名的体光伏效应从电荷推广到自旋与轨道自由度。我们利用二维非磁性铁电材料（如 GeS 及其类似物），借助第一性原理计算说明了这一体轨道/自旋光伏效应。这些材料具有竖直镜面对称性与时间反演对称性，但缺乏反演对称性。我们揭示，除在线性偏振光下沿镜面平行传播的常规光电流外，垂直于镜面的对称禁戒电流实际上包含电子流，其携带角动量信息并反向运动。人们可以观测到零电荷电流的纯轨道矩电流。这一隐藏的光诱导轨道电流通过自旋轨道耦合相互作用导致纯自旋电流。因此，可设计四端器件同时探测与测量光诱导的电荷、轨道与自旋电流。所有这些电流均与电极化 $P$ 耦合，故其振幅与方向可通过铁电相变调控。我们的工作为将纳米器件从光诱导电子学推广到轨道电子学与自旋电子学提供了一条途径。