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Pressure-induced Lifshitz and quantum phase transitions in electron-doped cuprate superconductor

En combinant des mesures de transport sous haute pression et de diffraction des rayons X sur synchrotron sur le Pr0.87LaCe0.13CuO4, les chercheurs ont découvert une transition de Lifshitz induite par la pression où la topologie de la surface de Fermi se reconstruit d'un régime dominé par les électrons vers un régime dominé par les trous à 10 GPa, suivi de la suppression complète de la supraconductivité à 17,6 GPa, le tout se produisant sans transitions de phase structurelles et mettant en évidence des différences fondamentales dans la manière dont la pression affecte les cuprates dopés aux électrons par rapport à ceux dopés aux trous.

Auteurs originaux : Jinyu Zhao, Shu Cai, Zhaoyu Liu, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Pengyu Wang, Jing Guo, Yazhou Zhou, Shiliang Li, Fuyang Liu, Luhong Wang, Haozhe Liu, Yang Ding, Qi Wu, Tao Xiang, Richard L Greene, Lil

Publié 2026-10-09

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CC BY 4.0

Auteurs originaux : Jinyu Zhao, Shu Cai, Zhaoyu Liu, Jianfeng Zhang, Shuaihang Sun, Pengyu Wang, Jing Guo, Yazhou Zhou, Shiliang Li, Fuyang Liu, Luhong Wang, Haozhe Liu, Yang Ding, Qi Wu, Tao Xiang, Richard L Greene, Liling Sun

Article original sous licence CC BY 4.0 (http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/). ✨ Ceci est une explication générée par l'IA de l'article ci-dessous. Elle n'a pas été rédigée ni approuvée par les auteurs. Pour une précision technique, consultez l'article original. Lire la clause de non-responsabilité complète

Dans le monde de la science des matériaux, certaines substances détiennent un secret qui fascine les chercheurs depuis près de quarante ans : la capacité de conduire l'électricité sans aucune résistance lorsqu'elles sont refroidies à de très basses températures. Ce sont les supraconducteurs, et parmi les plus célèbres figurent les composés d'oxyde de cuivre connus sous le nom de cuprates. Pendant des décennies, les scientifiques ont tenté de comprendre comment ces matériaux fonctionnent, sachant qu'ils se comportent de manière très différente selon leur préparation. Si l'on ajoute des électrons supplémentaires au matériau, il devient un supraconducteur « dopé aux électrons » ; si l'on retire des électrons, il devient « dopé aux trous ». Bien que les scientifiques étudient depuis longtemps comment la modification de la recette chimique affecte ces matériaux, ils savent également que les presser avec une pression externe immense peut modifier leur comportement de manière tout aussi spectaculaire. La grande question était de savoir si ces deux méthodes — changer la chimie et appliquer une pression — agissent de la même manière, ou si elles révèlent des règles de la nature différentes et cachées. Comprendre cela est crucial car cela pourrait enfin expliquer le mécanisme mystérieux de la supraconconductivité à haute température, une découverte qui pourrait un jour révolutionner notre façon de transmettre et de stocker l'énergie.

Une équipe de chercheurs a maintenant porté un regard neuf sur ce problème en se concentrant sur un cuprate dopé aux électrons spécifique appelé Pr0,87LaCe0,13CuO4±δ, ou PLCCO pour faire court. Au lieu de simplement presser le matériau et d'observer s'il devient plus chaud ou plus froid, ils ont combiné une pression extrême avec des mesures précises de la façon dont l'électricité circule à travers lui et de la façon dont les atomes à l'intérieur sont disposés. Ils voulaient voir si la pression allait simplement faire cesser la supraconductivité du matériau, ou si elle déclencherait un changement plus fondamental dans la manière dont les électrons se déplacent. En refroidissant le matériau à de très basses températures et en le soumettant à des pressions allant jusqu'à près de 18 gigapascals — soit environ 180 000 fois la pression de l'atmosphère terrestre — ils ont découvert une séquence d'événements surprenante qui n'avait jamais été vue dans ce type de matériau.

Le voyage commença par le fait que le matériau agissait comme un supraconducteur, transportant le courant sans aucune perte. À mesure que les chercheurs augmentaient la pression, la température à laquelle le matériau devenait supraconducteur est restée relativement stable au début, puis a commencé à chuter. Cependant, quelque chose de bien plus intéressant se passait à l'intérieur du flux d'électricité. Les chercheurs ont mesuré le coefficient de Hall, une valeur qui agit comme un panneau indicateur indiquant si les principaux porteurs d'électricité sont des électrons négatifs ou des « trous » positifs. Au départ, le signe était négatif, confirmant que les électrons étaient aux commandes. Mais lorsque la pression a atteint environ 10 gigapascals, le signe est passé au positif. Ce changement soudain signifiait que le paysage interne du matériau avait été complètement réorganisé ; les électrons avaient été poussés sur le côté, et les trous avaient pris le relais comme porteurs dominants. Cet événement est connu sous le nom de transition de Lifshitz, un moment où la forme même des trajectoires électroniques, ou surface de Fermi, se reconstruit.

Ce qui a rendu cette découverte particulièrement significative, c'est que les chercheurs ont pu prouver que ce changement était purement électronique, et non structurel. Ils ont utilisé de puissants faisceaux de rayons X pour observer la structure cristalline du matériau alors qu'il était sous cette pression immense et à basse température. Ils ont découvert que les atomes ne changeaient pas de disposition et ne formaient pas une nouvelle forme cristalline. Le matériau est resté dans la même phase structurelle tout au long de l'expérience. Cela a permis d'exclure la possibilité que le changement dans le flux électrique soit causé par le mouvement des atomes. Au lieu de cela, cela a confirmé que la pression forçait les électrons à se réorganiser en un nouveau motif sans que les atomes ne bougent de leurs positions.

Après cette réorganisation électronique, l'histoire a pris un second tournant. À mesure que la pression continuait de monter au-delà de 10 gigapascals, la capacité de supraconductivité du matériau a commencé à s'estomper régulièrement. Lorsque la pression a atteint environ 17,6 gigapascals, la supraconductivité a totalement disparu. Le matériau ne s'est pas transformé en isolant, ce qui arrive dans de nombreux autres cuprates sous pression ; il s'est plutôt installé dans un état métallique normal où l'électricité circule mais avec une résistance. Cela a marqué un second point critique, une transition de phase quantique où le matériau est passé d'un état supraconducteur à un état métallique. Les chercheurs ont découvert qu'une fois le remaniement électronique initial terminé, la pression supplémentaire affaiblissait simplement la force qui maintient les paires supraconductrices ensemble, finissant par les briser entièrement.

Les résultats offrent un contraste clair avec ce qui se passe dans les cuprates dopés aux trous, où la pression conduit souvent à un comportement isolant plutôt que métallique. Cette étude suggère que les deux types de cuprates, bien qu'ils se ressemblent, suivent des règles différentes lorsqu'ils sont pressés. Le matériau dopé aux électrons utilisé dans cette expérience a montré un chemin unique : d'abord, une reconstruction complète de son identité électronique à 10 gigapascals, et ensuite, une perte graduelle de la supraconductivité menant à un état métallique à 17,6 gigapascals. Ces résultats offrent un aperçu rare de la manière dont la pression peut ajuster l'équilibre délicat entre les interactions électroniques et la supraconductivité, montant que le chemin vers la compréhension de ces matériaux complexes nécessite d'examiner à la fois la façon dont ils conduisent l'électricité et la façon dont leurs cartes électroniques internes changent sous la contrainte.

Résumé technique : Transitions de Lifshitz et de phase quantique induites par la pression dans un supraconducteur cuprate dopé aux électrons

Énoncé du problème
Malgré près de quatre décennies de recherche sur la supraconductivité à haute température dans les matériaux à base d'oxyde de cuivre, un mécanisme unifié reste insaisissable. Si le dopage chimique (tant par les trous que par les électrons) est établi comme un paramètre de contrôle primaire pour ajuster la supraconductivité, les effets de la pression externe sur les cuprates dopés aux électrons sont restés nettement moins explorés que ceux de leurs homologues dopés aux trous. Des études antérieures sur les systèmes dopés aux trous ont montré que la pression peut augmenter la température de transition supraconductrice ( $T_c$ ) ou induire de nouveaux phénomènes, souvent accompagnés de changements structurels. Cependant, il n'est pas clair comment la pression module les états fondamentaux des systèmes dopés aux électrons, particulièrement en ce qui concerne l'interaction entre la topologie de la surface de Fermi, les corrélations électroniques et la suppression de la supraconductivité. Cette étude aborde la lacune de compréhension du comportement à haute pression du supraconducteur cuprate dopé aux électrons $\text{Pr}_{0.87}\text{LaCe}_{0.13}\text{CuO}_{4\pm\delta}$ (PLCCO).

Méthodologie
Les auteurs ont mené une investigation systématique de monocristaux de PLCCO en combinant des techniques expérimentales de haute pression et de basse température :

Mesures de résistance électrique : Des mesures de résistance à haute pression ont été effectuées sur cinq échantillons (S#1–S#5) pour suivre l'évolution de la température de transition supraconductrice ( $T_c$ ) et de la résistivité de l'état normal jusqu'à des pressions dépassant 18 GPa.
Mesures du coefficient de Hall ( $R_H$ ) : Des mesures de la résistance de Hall ( $R_{xy}$ ) à haute pression ont été réalisées à 40 K avec des champs magnétiques balayés de 0 à 5 T perpendiculairement au plan $ab$. Cela a été utilisé pour sonder le type de porteurs (électron vs trou) et les propriétés de la surface de Fermi.
Diffraction des rayons X sur synchrotron (XRD) : Des mesures de diffraction des rayons X sur synchrotron à basse température (40 K) et à température ambiante ont été effectuées pour détecter toute transition de phase structurelle induite par la pression. Cela était crucial pour distinguer les origines électroniques et structurelles des changements de transport observés.
Modélisation théorique : Un modèle à deux bandes effectives basé sur les bandes de Hubbard supérieure et inférieure a été employé pour calculer l'évolution de la structure de bandes, en incorporant la force d'appariement ( $J$ ) et la séparation de bande ( $R$ ) dépendantes de la pression.

Résultats clés
L'étude révèle deux pressions critiques distinctes ( $P_{c1}$ et $P_{c2}$ ) pilotant des transitions électroniques dans le PLCCO :

Transition de Lifshitz à $P_{c1}$ (~10 GPa) :
- Changement de signe du coefficient de Hall : Le coefficient de Hall ( $R_H$ ) diminue continuellement d'une valeur négative importante à la pression ambiante, atteignant zéro à ~10 GPa. Au-delà de ce point, $R_H$ change de signe, passant de négatif à positif.
- Reconstruction de la surface de Fermi : Ce changement de signe indique une reconstruction de la surface de Fermi, passant d'une topologie dominée par les électrons à une topologie dominée par les trous.
- Absence de transition structurelle : Les mesures XRD à basse température confirment que la structure cristalline reste dans la phase tétragonale $T'$ (groupe d'espace $I4/mmm$) à travers $P_{c1}$ . Aucune transition de phase structurelle ne se produit à basse température, confirmant l'origine purement électronique de la transition de Lifshitz.
- Compression anisotrope : Le paramètre de maille $c$ est compressé de manière significative (~~0,6 Å) à $P_{c1}$ , bien plus que le paramètre $a$ (~~0,1 Å), suggérant que la transition est liée à des réductions de réseau anisotropes induites par la pression.
Transition de phase quantique (QPT) à $P_{c2}$ (~17,6 GPa) :
- Suppression de la supraconductivité : Alors que $T_c$ montre une légère variation en dessous de $P_{c1}$ , elle diminue de façon monotone au-dessus de $P_{c1}$ et disparaît complètement à ~17,6 GPa.
- Changement d'état fondamental : Le système passe d'un état supraconducteur à un état métallique non supraconducteur.
- Saturation des porteurs : Au-dessus de $P_{c1}$ , le coefficient de Hall reste positif et indépendant de la pression, indiquant que la suppression de la supraconductivité n'est pas pilotée par de nouveaux changements de type de porteurs ou de topologie de la surface de Fermi, mais plutôt par la diminution de l'interaction d'appariement effective.
Dépendance en température de la stabilité structurelle :
- La XRD à température ambiante révèle une transition partielle de la phase $T'$ vers la phase $T$ commençant à ~9,3 GPa, avec une coexistence jusqu'à 41,4 GPa. Les auteurs attribuent la stabilité de la phase $T'$ à basse température à un manque d'énergie thermique pour surmonter la barrière énergétique de la transformation, rendant la phase $T'$ de basse température métastable à des températures plus élevées.

Signification et revendications
Le papier revendique plusieurs premières et des intuitions fondamentales :

Première observation d'une transition de Lifshitz induite par la pression : Il s'agit du premier rapport d'une transition de Lifshitz induite par la pression dans des supraconducteurs cuprates massifs dopés aux électrons ou aux trous. Il démontre que la pression peut reconstruire la topologie de la surface de Fermi sans transition de phase structurelle dans cette classe de matériaux.
Réponse à la pression distincte des systèmes dopés aux trous : L'étude souligne une différence fondamentale entre les cuprates dopés aux électrons et aux trous sous pression. Tandis que les systèmes dopés aux trous ont tendance à devenir de type isolant sous pression, le PLCCO transite vers un état métallique. De plus, la transition de Lifshitz induite par la pression observée ici est absente dans les systèmes dopés aux trous.
Découplage de la topologie et de l'appariement : Les résultats suggèrent que la suppression de la supraconductivité dans le régime de haute pression est pilotée par la réduction de l'interaction d'appariement ( $J$ ) plutôt que par des changements de topologie de la surface de Fermi une fois la transition de Lifshitz complétée.
Validation théorique : Les tendances expérimentales sont bien soutenues par un modèle à deux bandes où la transition de Lifshitz correspond à la disparition de la séparation de bande ( $R$ ), conduisant à la fusion des poches d'électrons et de trous en une seule surface de Fermi dominée par les trous.

Conclusion
Les auteurs concluent que la pression agit comme un paramètre de réglage spécifique qui dépend fortement de la structure électronique initiale et du type de porteurs, plutôt que comme un contrôleur de largeur de bande générique. Ces découvertes fournissent des contraintes cruciales pour le développement d'une description théorique unifiée de la supraconductivité à haute $T_c$ , soulignant la nécessité de comprendre non seulement les interactions d'appariement, mais aussi comment la supraconductivité est détruite et la nature des états fondamentaux résultants dans les familles dopées aux électrons et aux trous.

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