[論文レビュー] Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2 with cryogenic quantum magnetometry

Uri Vool, Assaf Hamo+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用数 21

ひとこと要約

本研究では、液体的電子流動をWTe2で画像化するために低温窒素ビーカー磁気測定法が用いられ、~20 Kで最大の流動的挙動を示す非単調な温度依存性が明らかにされた。Ab initio計算とボルツマン輸送モデルによる確認により、WTe2における電子間相互作用が主にフォノン媒介であることが示され、高密度キャリア半金属におけるフォノン媒介流動の直接的証拠が得られた。

ABSTRACT

In the presence of strong interactions, electrons in condensed matter systems can behave hydrodynamically thereby exhibiting classical fluid phenomena such as vortices and Poiseuille flow. While in most conductors large screening effects minimize electron-electron interactions, hindering the search for possible hydrodynamic candidate materials, a new class of semimetals has recently been reported to exhibit strong interactions. In this work, we study the current flow in the layered semimetal tungsten ditelluride (WTe2) by imaging the local magnetic field above it using a nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond. Our cryogenic scanning magnetometry system allows for temperature-resolved measurement with high sensitivity enabled by the long defect spin coherence. We directly measure the spatial current profile within WTe2 and find it differs substantially from the uniform profile of a Fermi liquid, indicating hydrodynamic flow. Furthermore, our temperature-resolved current profile measurements reveal an unexpected non-monotonic temperature dependence, with hydrodynamic effects strongest at ~20 K. We further elucidate this behavior via ab initio calculations of electron scattering mechanisms, which are used to extract a current profile using the electronic Boltzmann transport equation. These calculations show quantitative agreement with our measurements, capturing the non-monotonic temperature dependence. The combination of experimental and theoretical observations allows us to quantitatively infer the strength of electron-electron interactions in WTe2. We show these strong electron interactions cannot be explained by Coulomb repulsion alone and are predominantly phonon-mediated. This provides a promising avenue in the search for hydrodynamic flow and strong interactions in high carrier density materials.

研究の動機と目的

• 強い電子-電子相互作用の候補材料である層状半金属WTe2における流動的電子流動を調査すること。
• 実験的に観察された非単調な傾向を示すWTe2における流動的挙動の温度依存性を解明すること。
• WTe2における強い電子間相互作用の微視的起源を、クーロン反発とフォノン媒介メカニズムの両者と区別して特定すること。
• ボルツマン輸送方程式を通じて、実験的磁場分布画像と電子輸送理論を定量的に結びつけること。

提案手法

• WTe2の上部における局所磁場を高い空間分解能および温度分解能でマップするために、低温走査NV磁気測定装置を用いた。
• ダイヤモンド中のNV中心の長いスピンコherencte時間を利用し、低温でも高い磁場感度を達成した。
• 測定された磁場分布から、下部の電流分布を空間的電流プロファイルとして特定した。
• 電子散乱メカニズムのAb initio計算を実施し、電子-電子および電子-フォノン相互作用をモデル化した。
• 計算された散乱率を用いて、電子ボルツマン輸送方程式を解き、電流プロファイルを予測した。
• 理論的電流プロファイルと実験的測定値を比較し、フォノン媒介相互作用モデルの妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WTe2は、均一でない電流プロファイルによって示されるように、流動的電子流動を示すか？
• RQ2 なぜWTe2における流動的挙動は、~20 Kで最大を示す非単調な温度依存性を示すのか？
• RQ3 WTe2における強い電子-電子相互作用は、主にクーロン反発によるものか、フォノン媒介プロセスによるものか？
• RQ4 散乱メカニズムのAb initio計算が、WTe2における観測された電流プロファイルを定量的に再現できるか？
• RQ5 電子-フォノン散乱が、観測された流動的輸送に占める相対的寄与は何か？

主な発見

• WTe2における測定電流プロファイルは、フェルミ液体で予想される均一プロファイルとは顕著に異なるため、流動的流れが確認された。
• 流動的効果は約20 Kで最も強く、非単調な温度依存性を示した。
• 電子散乱メカニズムのAb initio計算が、実験的電流プロファイルを定量的に再現した。
• 理論と実験の整合性から、WTe2における電子-電子相互作用が主にフォノン媒介であることが示され、純粋にクーロン駆動ではないことが判明した。
• 本研究は、高密度キャリア半金属におけるフォノン媒介流動の直接的実験的・理論的証拠を提供した。
• 本研究の結果により、WTe2は2次元材料における強い電子相互作用および流動的輸送を研究する有望なプラットフォームであると確立された。