传统的光生电流（光生伏打）效应需要异质结构的材料设计，例如半导体p-n结或异质界面，才可以获得单向的稳定电流。近年来，物理学家和材料学家指出在中心对称性破缺的体系中，可以通过光子的捕获和释放来获得稳定的直流电。这是由于体系结构的不对称性带来电子非简谐运动，在傅立叶空间存在零频贡献，对应直流电流。这一过程属于高阶的双光子-单电子相互作用，称为体光伏效应，目前已经被广泛研究和证实。随着人们对高效、快速信息操控的日益需求，电子的电荷这一属性已开始无法满足调制新物理过程的全部需要，于是人们开始着眼于新的电子自由度。一个众所周知的自由度是电子的自旋，通常来说具有向上和向下两种属性，从而可以作为信息存储介质。事实上，巨磁阻效应的发展和应用也证明了自旋能在某种方面替代电子电荷，因此这一领域获得了广泛的关注。

    然而在没有自旋极化（非磁性）材料中注入/引入自旋并令其流动并不容易。常见的作法是通过磁性界面作用，从材料一端强行注入带有一定自旋的电流。这种从外部引入的方案并不是非常理想，材料及其磁性界面的相互作用、散射等因素会为实际应用带来很多限制。因此，人们着眼于如何在材料内部诱导出本征的自旋电流。一般常见的方法是通过自旋霍尔效应、自旋能斯特效应等方案来实现，然而这些方案需要电极接触、加温等手段，也会带来不必要的相互作用和影响。

    西安交通大学材料学院材料创新设计中心的周健教授课题组，根据二阶Kubo响应理论与独立粒子近似理论，提出通过非接触式的光照，可以在中心对称破缺的材料中诱导出自旋电流。他们采用对称性分析和第一性原理计算，在一系列二维铁电材料（例如GeS）中讨论了这一现象。研究表明，在对称性禁止的电流方向上（电荷电流严格为零），事实上电子并没有被束缚，而是携带相反自旋并相向运动，从而获得非零的自旋流。另外，在通常情况下，体系中电子运动的轨道角动量很少贡献磁矩（这是因为对称性轨道淬灭引起的）。然而通过对局域轨道分析和计算表明，在这一体系中，电子轨道角动量的运动（轨道流）要比自旋流大得多。这与静态情况下完全不同。他们还指出该体系电极化方向的改变可以带来各电流方向相应改变，并指出在实际应用中，铁电畴可以作为光致角动量流（自旋流和轨道流）的过滤器。该研究将纳米材料体光伏效应从电子学推广到轨道电子学和自旋电子学，为高速信息调控提控了新的思路。这一研究成果近期发表于《npj计算材料学》(npj Computational Materials) 7, 61 (2021)上。

    论文第一作者为西安交通大学周健教授课题组硕士生穆星池，通讯作者为周健教授，课题组硕士生潘一铭也参与了讨论和分析。该研究受到国家自然科学基金面上/青年项目的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41524-021-00531-7