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

通过结合高压输运和同步辐射 X 射线衍射测量，研究人员在 Pr0.87LaCe0.13CuO4 上发现了压力诱导的 Lifshitz 转变，即在 10 GPa 时费米面拓扑结构从电子主导转变为空穴主导，随后在 17.6 GPa 时超导电性被完全抑制，且所有这些过程均在没有结构相变的情况下发生，从而突显了压力对电子掺杂与空穴掺杂铜氧化物影响的本质差异。

原作者： 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

发布于 2026-10-09

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CC BY 4.0

原作者： 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

原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 ✨ 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。阅读完整免责声明

在材料科学领域，某些物质拥有一种吸引了研究人员近四十年的秘密：在冷却到极低温度时，它们能够实现完全无电阻的导电。这些物质被称为超导体，其中最著名的包括被称为铜氧化物化合物的铜酸盐。几十年来，科学家们一直试图理解这些材料的工作原理，因为他们知道这些材料的行为会随着制备方式的不同而产生巨大的差异。如果向材料中添加额外的电子，它就会变成“电子掺杂”型超导体；如果移除电子，则会变成“空穴掺杂”型。虽然科学家们长期以来一直在研究改变化学配方如何影响这些材料，但他们也意识到，通过巨大的外部压力挤压它们，可以同样剧烈地改变其行为。核心问题在于，这两种方法——改变化学成分和施加压力——其作用方式是相同的，还是会揭示出不同的、隐藏的自然法则。理解这一点至关重要，因为这最终可能解释高温超导性的神秘机制，而这一发现有朝一日可能会彻底改变我们传输和储存能量的方式。

一组研究人员现在通过关注一种特定的电子掺杂铜酸盐——即 $Pr_{0.87}LaCe_{0.13}CuO_{4\pm\delta}$ （简称 PLCCO）——对这个问题进行了全新的审视。他们并没有仅仅通过挤压材料并观察其变热或变冷，而是将极端压力与对电流流动方式以及内部原子排列的精确测量相结合。他们想要观察压力是否仅仅会让材料停止超导，或者是否会触发一种更基本的电子运动方式的变化。通过将材料冷却到极低温度，并承受高达近 18 吉帕斯卡（约 180,000 倍于地球大气压）的压力，他们发现了一系列在该类材料中从未见过的惊人事件序列。

这段旅程始于材料表现为超导体，能够无损耗地携带电流。随着研究人员增加压力，材料进入超导状态的温度最初保持相对稳定，随后开始下降。然而，在电流的流动内部，正在发生更为有趣的事情。研究人员测量了霍尔系数，这是一个类似于路标的数值，指示着主要的电流载体是负电子还是正“空穴”。在开始阶段，该符号为负，证实了电子是主导者。但当压力达到约 10 吉帕斯卡时，符号转变为正。这种突然的变化意味着材料的内部景观已被完全重构；电子被挤到了旁边，而空穴接管了主导地位。这一事件被称为利夫希茨转变（Lifshitz transition），即电子路径（或费米面）的形状发生重构的时刻。

这项发现之所以特别重要，是因为研究人员可以证明这种变化纯粹是电子层面的，而非结构性的。他们利用强大的 X 射线束，在极高压力和低温环境下观察了材料的晶体结构。他们发现，原子并未移动到新的排列方式，也没有形成不同的晶体形状。材料在整个过程中始终保持在相同的结构相中。这排除了电流流动变化是由原子移动引起的可能性。相反，它证实了压力是在迫使电子在原子位置不动的情况下，重新组织成一种新的模式。

在这场电子重组之后，故事迎来了第二次转折。随着压力继续上升超过 10 吉帕斯卡，材料的超导能力开始稳步衰减。当压力达到约 17.6 吉帕斯卡时，超导性完全消失了。该材料并没有变成绝缘体（这是许多其他铜酸盐在压力下的表现）；相反，它进入了一个正常的金属态，即电流可以流动但带有电阻。这标志着第二个关键点，即一个量子相变，材料从超导态转变为金属态。研究人员发现，一旦最初的电子重组完成，进一步的压力只会削弱维持超导对的相互作用力，最终将其彻底拆解。

这些发现与空穴掺杂铜酸盐的情况形成了鲜明对比，在后者中，压力通常会导致绝缘行为而非金属行为。这项研究表明，尽管这两类铜酸盐看起来相似，但它们遵循不同的规则。实验中的这种电子掺杂材料展示了一条独特的路径：首先是在 10 吉帕斯卡时发生完全的电子身份重构，其次是在 17.6 吉帕斯卡时通过逐渐丧失超导性导致进入金属态。这些结果提供了一个罕见的视角，展示了压力如何调节电子相互作用与超导性之间微妙的平衡，表明要理解这些复杂的材料，需要同时观察它们的导电方式以及其内部电子图谱在压力下是如何变化的。

技术摘要：压力诱导的电子掺杂铜氧化物超导体中的 Lifshitz 相变与量子相变

问题陈述
尽管对高温铜氧化物材料的研究已持续近四十年，但统一的机制仍然难以捉摸。虽然化学掺杂（空穴掺杂和电子掺杂）已被确立为调节超导性的主要控制参数，但外部压力对电子掺杂铜氧化物的影响与空穴掺杂系统相比，仍未得到充分的研究。以往对空穴掺杂系统的研究表明，压力可以增强超导转变温度 ( $T_c$ ) 或诱导新现象，且这些现象通常伴随着结构变化。然而，目前尚不清楚压力如何调节电子掺杂系统的基态，特别是关于费米面拓扑、电子关联以及超导性受抑之间的相互作用。本研究旨在解决理解 $\text{Pr}_{0.87}\text{LaCe}_{0.13}\text{CuO}_{4\pm\delta}$ (PLCCO) 这一电子掺杂铜氧化物超导体在高压下行为方面的空白。

研究方法
作者结合高压和低温实验技术，对 PLCCO 单晶进行了系统性研究：

电阻率测量： 对五个样品（S#1–S#5）进行了高压电阻率测量，以追踪高达 18 GPa 以上压力下超导转变温度 ( $T_c$ ) 和正常态电阻率的演化。
霍尔系数 ( $R_H$ ) 测量： 在 40 K 温度下进行高压霍尔电阻 ( $R_{xy}$ ) 测量，通过在垂直于 $ab$ 平面的 0 到 5 T 磁场下进行扫场，用以探测载流子类型（电子或空穴）及费米面性质。
同步辐射 X 射线衍射 (XRD)： 进行了低温 (40 K) 和室温同步辐射 XRD 测量，以检测是否存在压力诱导的结构相变。这对于区分观测到的输运变化是由电子起源还是结构起源驱动至关重要。
理论建模： 采用了基于上哈伯德带和下哈伯德带的有效双带模型，用于计算能带结构的演化，并纳入了随压力变化的配对强度 ( $J$ ) 和能带分裂 ( $R$ )。

主要结果
研究揭示了驱动 PLCCO 发生电子转变的两个不同的临界压力 ( $P_{c1}$ 和 $P_{c2}$ ):

$P_{c1}$ (~10 GPa) 处的 Lifshitz 相变：
- 霍尔系数符号改变： 霍尔系数 ( $R_H$ ) 从常压下的一个较大的负值连续减小，并在 ~10 GPa 时达到零。超过此点后， $R_H$ 的符号由负转正。
- 费米面重构： 这种符号改变表明费米面发生了重构，从电子主导的拓扑结构转变为空穴主导的拓扑结构。
- 不存在结构相变： 低温 XRD 证实，在 $P_{c1}$ 范围内，晶体结构保持在四方 $T'$ 相（空间群为 $I4/mmm$）。在低温下没有发生结构相变，从而证实了该 Lifshitz 相变具有纯粹的电子起源。
- 各向异性压缩： 在 $P_{c1}$ 时， $c$ 轴参数压缩显著 (~~0.6 Å)，远大于 $a$ 轴参数 (~~0.1 Å)，这表明该转变与压力诱导的各向异性晶格收缩有关。
$P_{c2}$ (~17.6 GPa) 处的量子相变 (QPT)：
- 超导性的受抑： 虽然 $T_c$ 在 $P_{c1}$ 以下表现出轻微变化，但在 $P_{c1}$ 以上单调下降，并在 ~17.6 GPa 时完全消失。
- 基态变化： 系统从超导态转变为非超导金属态。
- 载流子饱和： 在 $P_{c1}$ 以上，霍尔系数保持为正值且与压力无关，这表明超导性的消失并非由载流子类型或费米面拓扑的进一步变化驱动，而是由于有效配对相互作用的减弱。
结构稳定性的温度依赖性：
- 室温 XRD 显示，从 ~9.3 GPa 开始出现从 $T'$ 相到 $T$ 相的部分转变，且两者共存现象一直持续到 41.4 GPa。作者认为， $T'$ 相在低温下的稳定性是由于缺乏克服能量势垒的热能，使得低温下的 $T'$ 相在高压下处于亚稳态。

意义与主张
本文提出了若干项首次发现并提供了基础见解：

首次观测到压力诱导的 Lifshitz 相变： 这是首次报道在体相电子或空穴掺杂铜氧化物超导体中观察到压力诱导的 Lifshitz 相变。它证明了压力可以在不发生结构相变的情况下重构此类材料的费米面拓扑。
与空穴掺杂系统的不同压力响应： 研究强调了电子掺杂和空穴掺杂铜氧化物在压力下的本质区别。空穴掺杂系统在压力下趋向于表现出类绝缘特性，而 PLCCO 则转变为金属态。此外，此处观察到的压力诱导 Lifshitz 相变在空穴掺杂系统中是不存在的。
拓扑与配对的解耦： 结果表明，在 Lifshitz 相变完成后，高压机制下超导性的受抑是由配对相互作用 ( $J$ ) 的减小驱动的，而非费米面拓扑的变化。
理论验证： 实验趋势得到了双带模型的良好支持，其中 Lifshitz 相变对应于能带分裂 ( $R$ ) 的消失，导致电子口袋和空穴口袋合并为一个单一的空穴主导费米面。

结论
作者得出结论，压力是一个高度依赖于初始电子结构和载流子类型的特定调节参数，而非通用的带宽控制器。这些发现为建立统一的高温超导理论描述提供了关键约束，强调了不仅需要理解配对相互作用，还需要理解超导性是如何被破坏的，以及在电子掺杂和空穴掺杂家族中所得基态的本质。

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