背景介绍
体光伏效应是一种特殊的非线性光学效应，它可以让在中心反演对称性破缺的体系中受到光照后产生直流电，这种效应和二次谐波效应（产生交流电）也具有密切的关系。自旋体光伏效应是体光伏效应的一种衍生子效应，特指材料在被光照射后可以产生自旋流。要产生自旋体光伏效应的核心是自旋-动量锁定，而考虑相对论效应则是最直接的一种实现自旋-动量锁定的方法。在本文中，作者系统地总结了由于相对论效应产生的自旋体光伏效应的机理，并通过对称性分析和第一性原理量子输运方法研究了在铁电调控下这些自旋流的调制情况。
研究内容
近日，北京大学物理学院吕劲课题组在Phys. Rev. B上发表了题为“Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling”的工作，该工作系统性地研究了由于自旋轨道耦合效应导致的自旋体光伏效应在范德瓦尔斯铁电材料中受铁电调控的一般情况。并且在研究面内铁电极化时发现一种全新的物理现象，即调控体系的铁电极化方向后，光激发的自旋流不发生改变，但电荷流的方向发生改变，作者将这种全新的现象命名为“隐藏的自旋流调控”效应。
本文中的相对论性第一性原理量子输运模拟是由QuantumATK实现（采用了相对论性的赝势和原子轨道基的结合），本文的结果表明了使用量子输运方法研究特定体系的输运性质（包括非线性光学效应）已经成为了继密度泛函微扰理论之后的又一有力工具。本文的第一作者为课题组博士方世博，通讯作者为北京大学物理学院罗昭初研究员和吕劲研究员。
以下是使用QuantumATK计算的自旋体光伏的电荷流和非共线自旋流性质，文中考虑了三种二维材料中的铁电调控情况，分别是面内铁电材料（BP-Bi为例）：
面外铁电材料（α-GeTe为例）：
和面内面外耦合的铁电材料（α-In2Se3）：
总结：
该工作系统地提出了一个模型，用于描述自旋-光电旋效应（SPGE）在自旋轨道耦合（SOC）铁电半导体中的行为，考虑了一阶相对论扰动（Rashba效应），包括平面内、平面外和平面内-平面外耦合的自旋轨道耦合。在平面内铁电材料中，可以通过调节铁电性质来调制Sz分量的自旋电流，但不能通过圆偏振光来实现。在平面外铁电材料中，无论是线偏振光还是圆偏振光都可以通过调节铁电性质来调制Sx和Sy分量的自旋电流。在耦合铁电材料中，无论入射光的类型如何，都可以通过铁电性质有效地控制自旋电流的所有三个分量。通过采用第一性原理计算和量子输运，该文使用BP-Bi、α-GeTe和α-In2Se3这三个案例验证了这个模型。结果表明，当忽略高阶相对论扰动时，该模型是成立的。然而，当铁电材料受到来自高阶相对论效应（Dresselhaus效应）的扰动时，需要对模型进行特定修改。这项工作为未来关于电-光-磁耦合新型存储器的研究铺平了道路。
参考文献：
- Tunable spin photogalvanic effect in two-dimensional van der Waals ferroelectric semiconductors with spin-orbit coupling. Phys. Rev. B 109, 195202 (2024); DOI：https://doi.org/10.1103/PhysRevB.109.195202