[論文レビュー] Bad-Metal Relaxation Dynamics in a Fermi Lattice Gas

Wenchao Xu, William McGehee+2 more|arXiv (Cornell University)|Jun 21, 2016

Quantum and electron transport phenomena参考文献 29被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、光学格子に閉じ込められた強い電子相関系を有する超低温フェルミ気体において、Raman誘起質量電流の減衰を用いて抵抗率を推定することで、ボトムメタルの緩和ダイナミクスを観測した。T線形抵抗率スケーリングと弱散乱理論の破綻を示し、動的平均場理論（DMFT）の予測と整合する、ボトムメタルの主要な特徴を確認した。

ABSTRACT

We report the discovery of phenomena consistent with bad-metal relaxation dynamics in the metallic regime of an optical-lattice Hubbard model. The transport lifetime induced by inter-particle scattering for a mass current of atoms excited by stimulated Raman transitions is measured, and the corresponding analog of resistivity is inferred. By exploring a range of temperature, we demonstrate incompatibility with weak-scattering theory and a key characteristic of bad metals: anomalous resistivity scaling consistent with $T$-linear behavior. We also observe the onset of two behaviors---incoherent transport and the approach to the Mott-Ioffe-Regel limit---associated with bad metals. The interaction and temperature scaling of resistivity are verified to be consistent with dynamic mean-field theory (DMFT) predictions of a bad metal, which is associated with the reduction of quasiparticle weight by strong interactions.

研究の動機と目的

• 不純物やフォノンを含まない強い電子相関系のフェルミ系において、ボトムメタル的挙動がどのように出現するかを調査すること。
• 清浄で調整可能な光学格子 Hubbard モデルにおいて、輸送寿命を測定し、抵抗率を推定すること。
• 系が強い相関効果に起因する異常な抵抗率スケーリングを示すかどうかを検証すること。
• 実験結果をボトムメタルの動的平均場理論（DMFT）予測と比較すること。
• 弱散乱理論の破綻と、モット＝イェフ＝レーゲル限界付近での非一様輸送の発現を検証すること。

提案手法

• スピン偏光 40K 原子をスピン状態間で運動量オフセットを伴って移動させる励起ラマン遷移を用いて、コherentlyな質量電流を生成すること。
• ラマン誘起電流の減衰ダイナミクスを測定し、時間飛行像による準運動量分布の観測を通じて輸送寿命 τt を抽出すること。
• トラップ内での不均一な原子密度を補正するための密度加重平均補正を適用し、均一なDMFTシミュレーションとの比較を可能にすること。
• 有効質量および密度効果を正規化するための次元なし抵抗率 ϱ = (τt / (ħ/t) · n_dwd · d³)⁻¹ の定義。
• 1次元での位相崩壊ダイナミクスの古典的軌道シミュレーションを実施し、実験的位相崩壊効果をベンチマークとし、位相崩壊が主なメカニズムでないことを確認すること。
• 相関効果が抵抗率スケーリングに与える影響を分離するために、温度に依存しない熱平均相対速度を仮定すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボトムメタルの予測通り、強い電子相関系のフェルミ気体における抵抗率は温度に比例して増加するか？
• RQ2 金属的領域において、系はどの程度弱散乱理論を破綻させるか？
• RQ3 観測された輸送特性は、ボトムメタルの動的平均場理論（DMFT）予測と整合的か？
• RQ4 準粒子の破壊と非一様輸送が抵抗率挙動に果たす役割は何か？
• RQ5 強い相関下で、系の輸送特性はどのようにモット＝イェフ＝レーゲル限界に近づくか？

主な発見

• 測定された抵抗率はT線形スケーリングを示し、これは弱散乱フェルミ液体理論とは整合しないボトムメタル的挙動の特徴である。
• 輸送寿命 τt は温度上昇に伴い減少し、抵抗率スケーリングはT²の挙動とは顕著に異なる。
• 系は非一様輸送の明確な兆候を示し、平均自由行程が格子定数と同等にまで短くなるモット＝イェフ＝レーゲル限界に近づいている。
• 測定された抵抗率スケーリングは、準粒子重みが減少したボトムメタルの動的平均場理論（DMFT）予測と定量的に整合的である。
• 古典的シミュレーションにより、位相崩壊効果はわずかであり、シミュレートされた位相崩壊時間は測定された輸送寿命の少なくとも4倍以上にのぼる。
• 不均一密度補正を施した次元なし抵抗率 ϱ が抽出され、均一なDMFTシミュレーションと直接比較可能となり、理論的期待値と強く一致した。