[論文レビュー] Bad Metals from Density Waves

Luca V. Delacrétaz, Sean A. Hartnoll+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用数 4

ひとこと要約

この論文は、励起状態の不整合密度波状態が、運動量緩和や不純物に依存しない普遍的な拡散過程から抵抗率が生じる、悪金属を理解するための流体力学的枠組みを提案している。光学的誘電率のピークとdc抵抗率が、$\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$ のように温度に比例することを示しており、$T$線形抵抗率と弱い不純物を有する系における有限抵抗率を説明している。

ABSTRACT

In many bad metals the Drude peak moves away from zero frequency as the resistivity becomes large at increasing temperatures. Bad metals likely have no long-lived quasiparticles and thus rapid local equilibration leads to hydrodynamic regimes. Within hydrodynamics a Drude peak is broadened by momentum relaxation, but can only move away from zero frequency if translations are spontaneously broken. We suggest that the hydrodynamics of fluctuating, incommensurate density wave states is therefore the correct kinematic framework for discussing these materials. We show that the resistivity of such states is determined by universal diffusive processes that are independent of the rate of momentum relaxation and strength of pinning of the density wave due to e.g. weak disorder. Even weakly disordered density wave states can have large, finite resistivities, leading to bad metal behavior. We catalogue the position and width of the peak in the observed optical conductivity of many families of bad metals and show that in many cases $\omega_ ext{peak} \sim \Delta \omega \sim k_BT/\hbar$. The optical and dc conductivity data of these materials, including the $T$-linear dc resistivity, can be understood as arising from short range quantum critical fluctuations of density wave order. Our analysis focusses on fluctuating charge density waves, but the conclusions are likely more general.

研究の動機と目的

• 長寿命の準粒子を有しないにもかかわらず、大きな有限抵抗率とゼロ周波数からずれたドレーブピークを示す悪金属の挙動の起源を説明すること。
• 不整合密度波状態の揺らぎする流体力学的性質が、こうした物質の正しい運動学的枠組みであることを特定すること。
• これらの系における抵抗率が、運動量緩和率や不純物強度に依存しない普遍的な拡散過程によって支配されることを示すこと。
• 複数の悪金属系における光学的およびdc誘電率データを、$k_B T/\hbar$ を含む共通のスケーリング行動に統一すること。

提案手法

• 運動量緩和および拡散過程に注目し、揺らぐ不整合密度波状態の流体力学的応答を分析する。
• 時間結晶の自発的破れを有する系における輸送を記述するため、流体力学的有効場理論を用いる。
• 密度波の揺らぎに起因する拡散モードを含む状況下での光学的誘電率を導出する。
• メモリ行列近似を用いて、運動量緩和の存在下での自己エネルギーおよび幅広がったドレーブピークを計算する。
• 光学的誘電率におけるピーク周波数 $\omega_{\text{peak}}$ と幅 $\Delta\omega$ が温度の普遍関数として特定されることを示す。
• 理論的予測を複数の悪金属系の実験データと比較し、$\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$ のスケーリングを検証する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 長寿命の準粒子を欠くにもかかわらず、悪金属がゼロ周波数からずれたドレーブピークを示すのはなぜか？
• RQ2 弱い不純物が存在するにもかかわらず、悪金属の抵抗率が有限で大きく保たれるのはなぜか？
• RQ3 悪金属における $T$ 線形抵抗率と光学的誘電率ピークのスケーリングを支える普遍的な輸送メカニズムは何か？
• RQ4 揺らぐ密度波状態が、運動量緩和に依存しない抵抗率をもたらす流体力学的輸送をどのように生じさせるのか？
• RQ5 光学的およびdc誘電率が、短距離量子臨界揺らぎの単一の枠組みでどの程度統一的に説明できるか？

主な発見

• 悪金属における光学的誘電率のピーク周波数 $\omega_{\text{peak}}$ と幅 $\Delta\omega$ は、$k_B T/\hbar$ に比例する普遍的スケーリングを示し、複数の材料系で一貫している。
• 運動量緩和率や不純物強度に依存せず、普遍的な拡散過程により、弱い不純物を有する密度波状態における抵抗率は依然として大きくかつ有限のままである。
• ドレーブピークがゼロ周波数からずれるのは、空間並進が自発的に破れる場合に限る。これは不整合密度波状態で発生する。
• 揺らぐ密度波系における流体力学的輸送は、強い散乱や準粒子の破綻を仮定しなくても、観測された $T$ 線形dc抵抗率を説明できる。
• 悪金属の光学的誘電率データ、特にピークの位置と幅は、電荷密度波秩序の短距離量子臨界揺らぎによって定量的に説明できる。
• この枠組みは、電荷密度波を超えて一般化可能であり、揺らぐ秩序を有する系における悪金属挙動の一般的メカニズムを示唆している。