[論文レビュー] Planckian Dissipation in Metals

Sean A. Hartnoll, A. P. Mackenzie|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 183被引用数 22

ひとこと要約

この論文は金属におけるプランク的散乱をレビューし、通常および非常識な金属の非弾性散乱を支配するプランク的時間スケール τ_Pl = ℏ/(k_B T) の役割を提案する。T線形抵抗率を引き起こす2つのメカニズム（電子-格子振動散乱と量子臨界性）を特定し、熱化時間スケールとエントロピー制約に基づく散乱の根本的限界を主張する。

ABSTRACT

We review the appearance of the Planckian time $τ_ ext{Pl} = \hbar/(k_B T)$ in both conventional and unconventional metals. We give a pedagogical discussion of the various different timescales (quasiparticle, transport, many-body) that characterize metals, emphasizing conditions under which these times are the same or different. Throughout, we have attempted to clear up aspects of the problem that had been confusing us, in the hope that this helps the reader as well. We discuss the possibility of a Planckian bound on dissipation from both a quasiparticle and a many-body perspective. Planckian quasiparticles can arise naturally from a combination of inelastic scattering and mass renormalization. Many-body dynamics, on the other hand, is constrained by the basic time- and length- scales of local thermalization.

研究の動機と目的

• 通常および非常識な金属における電子的ダイナミクスにおいて、プランク的時間スケール τ_Pl = ℏ/(k_B T) の役割を明確化すること。
• 輸送および熱化の文脈において、準粒子的起源と多体的起源のプランク的挙動の違いを明確にすること。
• 散乱に対する普遍的プランク的限界が存在するかどうかを評価し、その背後にある物理的原理を同定すること。
• 準粒子時間スケール、輸送時間スケール、平衡化時間スケールといった長年の混乱を解消し、それらの相互作用を明らかにすること。
• 将来の分光的および輸送的プローブによるプランク的ダイナミクスの理論的・実験的研究を促進すること。

提案手法

• 金属における緩和時間の基本的量子限界として、プランク的時間スケール τ_Pl = ℏ/(k_B T) を分析する。
• 電子-格子振動散乱とマージナルフェルミ液体理論による準粒子寿命を τ_Pl と比較し、両者ともT線形散乱をもたらすことを示す。
• ドレーデ分析と有効質量の再規格化を用いて、通常金属における抵抗率と τ_Pl の関係を確立する。
• 量子リャプノフ指数とバタフライ速度を、混沌とした多体ダイナミクスおよび熱化のプローブとして用いる。
• 不確実性原理とフラクチュエーション限界を用いて、熱的状態における平衡化時間と長さを制約する。
• 臨界系における限界にインspiredされた、多体的「ブートストラップ」プログラムを提唱し、ダイナミクスの限界を導出する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 プランク的時間スケール τ_Pl = ℏ/(k_B T) は、金属における非弾性緩和時間の普遍的下限として機能できるか？
• RQ2 電子-格子振動散乱と量子臨界性の両者は、T線形抵抗率およびプランク的散乱にどのように寄与するか？
• RQ3 なぜ不純物散乱によって準粒子記述は T=0 で破綻するのか？また、これはプランク的限界とどのように関係するか？
• RQ4 熱的状態における平衡化時間と長さにどのような根本的制約があるか？また、それらはプランク的散乱とどのように関係するか？
• RQ5 エントロピー生成に基づく変分原理は、散乱時間スケールがプランク的限界に達することを説明できるか？

主な発見

• 光学、光電子分光、およびdc輸送による測定から、カルチウム酸化物系のスランジメタルにおいてプランク的時間スケール τ_Pl = ℏ/(k_B T) が観測されており、これは普遍的な緩和率を示している。
• 電子-格子振動散乱は、特徴的な格子振動温度 T_ph 以上でのみプランク的挙動を示し、T=0 にまで及ぶT線形抵抗率を説明できない。
• マージナルフェルミ液体では、非弾性散乱と質量再規格化から生じるプランク的準粒子寿命が、T線形抵抗率と整合的である。
• 不純物散乱によるT=0での残留抵抗率はプランク的限界に反するため、この限界は非弾性で熱化する過程にのみ適用されることを示している。
• 熱化時間スケールとフラクチュエーション限界は、平衡化が τ_Pl より速くは起こり得ないことを示唆し、散乱の根本的限界を支持する。
• プランク的限界はエントロピー制約と熱的状態の構造から生じる可能性があり、輸送理論における変分原理との潜在的関連性を有する。