Science：当费米面嵌套“邂逅”斯格明子

一、【科学背景】 

磁斯格明子是一种具有纳米级螺旋自旋织构的准粒子，因其独特的拓扑性质和在高密度自旋电子器件（如数据存储单元）中的应用潜力，成为凝聚态物理和材料科学的前沿热点。过去十年间，大多数斯格明子研究集中于非中心对称材料，其形成机制可由Dzyaloshinskii-Moriya（DM）相互作用合理解释。然而，中心对称材料中斯格明子的起源一直是未解之谜。尽管这类材料能形成尺寸更小（<4 nm，如约1.9 nm的GdRu₂Si₂）、电动力学响应更稳健的斯格明子，但其自旋织构的驱动机制（如几何阻挫、轨道相互作用或Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida（RKKY）相互作用）仍存争议。

理论上，中心对称斯格明子的形成可能依赖于费米面（FS）嵌套诱导的自旋调制：当费米面的不同部分通过特定波矢（q矢量）匹配时，电子间的相互作用可引发螺旋自旋序。实验上，角分辨光电子能谱（ARPES）是直接观测电子结构的关键技术，但受限于样品表面终端效应和磁畴干扰，此前对中心对称斯格明子材料的电子结构解析进展缓慢。GdRu₂Si₂作为当前最小斯格明子的宿主材料，其基态电子结构是否存在与磁调制q矢量对应的费米面嵌套、以及嵌套如何诱发赝能隙和费米弧等反常电子态，成为揭示中心对称斯格明子形成机制的核心科学问题。

二、【创新成果】

近日，东京大学研究人员通过角分辨光电子能谱（ARPES）选择性测量磁畴，揭示了中心对称材料 GdRu₂Si₂的本征电子结构。作者发现了稳健的费米面（FS）嵌套，这与先前共振 X 射线散射测量检测到的磁调制矢量一致。赝能隙在嵌套的费米面部分打开，且不同磁畴中的赝能隙存在差异。反常赝能隙使费米面断开，生成具有二重对称性的费米弧。这些结果表明，RKKY相互作用在驱动GdRu₂Si₂中形成斯格明子所需的螺旋自旋调制中起决定性作用。此外，作者通过磁场和温度循环操纵磁畴，展示了GdRu₂Si₂中磁性的灵活性，为未来数据存储和处理设备提供了潜在应用。

图1 GdRu₂Si₂的表面终端及其电子结构。（A）GdRu₂Si₂的晶体结构。（B）通过每 20 μm 扫描光束斑获得的解理面费米能（EF）附近的光发射强度空间映射。（C）在（B）中绿色和紫色圆圈标记的两个斑点处进行的芯能级测量。（D 和 E）Gd（D）和 Si（E）在 10 K 下用 148 eV 光子（对应 Γ 点处 k_z=20π/c）测量的费米面映射。（F 和 G）分别为 Gd和 Si沿穿过 Γ 点的动量切割（D 和 E 中的绿色和紫色箭头）测量的能带色散图。（H）计算的体态费米面。（I）D 和 E 中黑色虚线处的动量分布曲线（MDC）。© 2025 Science

作者通过角分辨光电子能谱（ARPES）分析了GdRu₂Si₂解理面的两种终端（Gd 和 Si），发现不同终端的费米面（FS）和能带结构存在显著差异：Gd 终端在 Γ 点附近显示高强度信号，而 Si 终端呈现 “风车状” 费米面及圆形子带。通过对比两种终端的共性特征，提取出布里渊区角落的平行费米面作为体相本征结构。实验结合芯能级光谱（如 Si 2p 和 Gd 4f 峰强度对比）和密度泛函理论（DFT）计算，验证了体相费米面的存在，排除了表面终端的干扰。

图2三维动量空间中的费米面嵌套。（A）Gd 终端在 10 K 下用 94 eV 光子（对应 k_z=0）测量的面内费米面映射。（B）k_z =0处的计算费米面。A 和 B 中的白色和黑色虚线分别表示布里渊区。绿色和蓝色箭头表示平行于k_x和k_y方向的嵌套波矢。（C）连接布里渊区角落的动量切割的能带色散图（A 中的黑色箭头）。顶部：费米能级处的相应 MDC。叠加了 DFT 体带计算（红线）。（D）A 中红色矩形区域的费米面放大图。（E）ARPES 估算的沿k_x方向的嵌套波矢长度（绿圈）和计算值（红线）随k_y位置的变化。ARPES 结果的k_y位置由色散图中的绿点标记。RXS 研究报告的磁调制 q 矢量长度也叠加（黑线）。（F 和 G）分别为计算和 ARPES 显示的嵌套面内费米面随k_z（0 到 - 2π/c）的演化。通过改变光子能量从 94 eV 到 67 eV，k_z值从 0 变为 - 2π/c。注意，由于 GdRu₂Si₂具有体心四方结构，沿k_z方向的布里渊区周期为 4π/c。（H）在覆盖 k_z从 0 到 - 2π/c 的不同光子能量下，沿 G 中白色虚线的嵌套费米面的 MDC。绿色箭头通过将光子能量从 94 eV 扫至 67 eV，连接 16π/c（=0）到 14π/c（=-2π/c）。（I）沿布里渊区角落的k_x方向嵌套费米面的k_z依赖性。绿箭头与 F 中的相同。（J）同 E，但为沿k_z位置的费米面嵌套。（K）从三维 DFT 体带结构估算的 Gd 轨道分量的林哈德函数 χ_₀(Gd)。© 2025 Science

作者揭示了 GdRu₂Si₂中稳健的费米面嵌套现象：面内（k_x、k_y 方向）和沿k_z方向的嵌套矢量均与共振 X 射线散射（RXS）测得的磁调制 q 矢量（~0.33 Å^-1高度吻合。ARPES 实测的嵌套波矢与 DFT 计算、RXS 数据完美匹配，且林哈德函数显示 Gd 轨道分量在嵌套矢量处出现峰值，支持RKKY 相互作用驱动磁耦合的机制。三维动量空间中，嵌套费米面随k_z变化呈现对称性旋转，证实其体相起源及对磁调制的关键作用。

图3嵌套费米面上的赝能隙及其温度演化。（A）Si 终端沿连接布里渊区角落的动量切割的能带色散图，捕捉了费米面的嵌套部分。光子能量为 148 eV，对应 k_z=0。绿色箭头表示费米面嵌套波矢。（B 和 C）分别为低于（T=10 K）和高于（T=50 K）奈尔温度（46 K）时 A 中绿色矩形区域的能带色散放大图。红色和蓝色箭头分别指向嵌套和非嵌套能带。（D）嵌套能带在T_N以下和以上（分别有和无赝能隙）的示意图。（E）嵌套（红点）和非嵌套（蓝点）能带在 EF 附近的谱重随温度的演化；每个都是 G 和 I 中红色和蓝色阴影区域（±30 meV）内的谱强度积分。（F 和 H）分别为嵌套和非嵌套能带在k_F处（B 和 C 中的红色和蓝色箭头）不同温度下测量的能量分布曲线（EDC）。上下图分别为有和无偏移的 EDC 图。（G 和 I）分别为 F 和 H 中 EDC 关于 EF 的对称化图。© 2025 Science

图4磁畴依赖的赝能隙。（A）GdRu₂Si₂表面光发射强度的空间映射。黑色和灰色区域（高强度和低强度）分别表示 Si 和 Gd 终端。（B 和 C）两种不同磁畴的费米面示意图，分别对应 A 中的红点和蓝点。在红点磁畴中，赝能隙仅沿水平切割（cut H）出现；在蓝点磁畴中，赝能隙仅沿垂直切割（cut V）出现。（D 到 K）A 中标记为 I、II、III 和 IV 的四个斑点的能带色散图。上排（D 到 J）为沿 cut H 的结果，下排（E 到 K）为沿 cut V 的结果。每个面板标注了是否观察到赝能隙。（L）Gd 终端在 10 K 下用 148 eV 光子测量的费米面映射及对应 B 的磁畴。（M）L 中红色矩形区域的费米面放大图。追踪了四个费米面部分 1 到 4 的赝能隙动量演化。有赝能隙和无赝能隙的k_F点分别用绿点和品红点标记。（N 和 P）分别为费米面部分 1 和 2 在k_F处的 EDC。从上到下，EDC 按k_y值从大到小排列，如 M 中的黑色箭头所示。（O 和 Q）分别为 N 和 P 中 EDC 关于 EF 的对称化图。© 2025 Science

图5磁场和温度循环对磁畴的操纵。（A 和 C）分别为样品 1 和 2 通过 ARPES 确定的磁畴。每个光发射强度空间映射上标记了 ARPES 测量的斑点。红色和蓝色表示不同磁畴。（B 和 D）通过偏振显微镜观察的磁畴。图像绘制了奈尔温度以下（10 K）和以上（50 K）的强度差，显示两种磁畴（红色和蓝色区域）。（E）GdRu₂Si₂的磁相图。（F 到 I）分别为相 III、II、I 和顺磁相（PM）的自旋织构示意图。仅相 I 具有二重磁结构。（J 到 M）偏振显微镜在不同温度和磁场循环步骤后观察到的磁畴：从 50 K 冷却到 10 K（J）；激发到相 II 后返回相 I（K）；激发到相 III 后返回相 I（L）；从 10 K 升温到 50 K 再降温回 10 K（M）。磁场循环使用脉冲磁场。© 2025 Science

作者通过磁畴选择性测量发现，赝能隙仅在特定磁畴的水平（k_x）或垂直（k_y）方向打开，导致费米面断开并形成二重对称的费米弧。不同磁畴（Gd 或 Si 终端均可出现）中，赝能隙的方向性打破了晶体的四重对称性，显示磁调制的各向异性。费米弧的动量位置由磁畴决定，证实电子结构与磁畴的内在关联，是中心对称斯格明子磁体的独特特征。此外，作者展示了GdRu₂Si₂中磁畴的灵活调控：无场冷却时形成两种磁畴（红/蓝区域）；脉冲磁场激发至斯格明子相（相 II）或更高磁相（相 III）后返回基态，可擦除原有畴结构并诱导随机小畴；而温度循环（10 K→50 K→10 K）则能完美恢复初始畴模式。磁畴的可擦除性与恢复性，结合其与自旋织构的对称性匹配（如相 I 的二重磁结构），为未来自旋电子器件的磁畴调控提供了实验依据。

该研究聚焦于中心对称斯格明子磁体GdRu₂Si₂，借助角分辨光电子能谱，深入探究其电子结构，成功揭示了费米面嵌套引发的赝能隙和费米弧现象，为斯格明子在中心对称材料中的形成机制提供了关键见解，以“Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet”为题发表在国际顶级期刊Science上，引起了相关领域研究人员热议。

三、【科学启迪】

综上所述，本文证实在中心对称斯格明子磁体中，费米面嵌套通过 RKKY 相互作用驱动螺旋自旋调制，进而形成斯格明子。赝能隙和费米弧的发现不仅揭示了中心对称斯格明子的独特电子结构，还为理解其形成机制和开发相关自旋电子器件提供了重要依据。

原文详情：Dong Y, Kinoshita Y, Ochi M, et al. Pseudogap and Fermi arc induced by Fermi surface nesting in a centrosymmetric skyrmion magnet[J]. Science, 2025, 388(6747): 624-630. https://doi.org/10.1126/science.adj7710

本文由景行撰稿