[論文レビュー] Shot noise and universal Fano factor as characterization of strongly correlated metals

Yiming Wang, Chandan Setty+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 8

ひとこと要約

本稿は、準粒子フレームワーク内でのボルツマン＝ランジュバン法を用いて、強い電子相関を持つ拡산金属におけるショットノイズの理論的初研究を提示する。本研究では、このような系においてFano因子が準粒子重みやランダウパラメータに依存せず普遍的に $ \frac{\sqrt{3}}{4} $ に一致することを示している。YbRh₂Si₂における実験的に観測された $ F $ のこの値以下の抑制は、量子臨界性に近い領域で準粒子像の崩壊を強く示唆し、奇妙な金属の振るまいを示している。

ABSTRACT

Shot noise measures out-of-equilibrium current fluctuations and is a powerful tool to probe the nature of current-carrying excitations in quantum systems. Recent shot noise measurements in the heavy fermion strange metal YbRh$_2$Si$_2$ exhibit a strong suppression of the Fano factor ($F$) -- the ratio of the current noise to the average current in the DC limit. This system is representative of metals in which electron correlations are extremely strong. Here we carry out the first theoretical study on the shot noise of diffusive metals in the regime of strong correlations. A Boltzmann-Langevin equation formulation is constructed in a quasiparticle description in the presence of strong correlations. We find that $F = \sqrt{ 3}/{4}$ in such a correlation regime. Thus, we establish the aforementioned Fano factor as universal to Fermi liquids, and show that the Fano factor suppression observed in experiments on YbRh$_2$Si$_2$ necessitates a loss of the quasiparticles. Our work opens the door to systematic theoretical studies of shot noise as a means of characterizing strongly correlated metallic phases and materials.

研究の動機と目的

• 強相関下での拡散金属におけるショットノイズを理論的に調査すること。これは、準粒子記述が破綻すると予想される領域である。
• このような系におけるFano因子が、従来のフェルミ液体と同様に普遍的であるかどうかを明らかにすること。
• YbRh₂Si₂における実験的に観測されたFano因子の抑制が、強相関のみで説明可能かどうか、あるいは準粒子の破綻を要請するかを評価すること。
• ショットノイズが、量子臨界金属における準粒子の欠如を特定するための診断ツールとして確立されること。

提案手法

• 強相関金属における拡散輸送を記述するボルツマン＝ランジュバン方程式を定式化し、準粒子のダイナミクスと確率的ノイズ源を組み込む。
• 不純物散乱に対して緩和時間近似を適用し、分布関数の運動量空間分解を対称成分と反対称成分に分離する。
• 関係式 $ \langle \delta J_{\alpha} \delta J_{\beta} \rangle \propto \delta_{\alpha\beta} \delta(t-t') \delta(x-x') $ を用いて、ランジュバンノイズ源の相関をとり、運動量空間にわたって統合することで、電流ノイズのパワースペクトル密度を導出する。
• ショットノイズのパワー $ S $ と平均電流 $ I $ を用いて、Fano因子を $ F = S / (2eI) $ として計算し、定常状態では $ F = \sqrt{3}/4 $ が得られることを示す。
• 再正規化された準粒子重みとランダウパラメータを含むランダウ準粒子フレームワークを用いて、$ F $ がこれらのパラメータに依存しないことを示す。
• 零温度のバッチ熱浴下で電圧バイアスをかけた非平衡状態を解析し、熱的寄与からショットノイズを分離する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 強相関を持つ拡散金属においても、Fano因子が従来のフェルミ液体と同様に $ \sqrt{3}/4 $ のまま保たれるか？
• RQ2 YbRh₂Si₂における観測されたFano因子の抑制は、準粒子フレームワーク内で説明可能か、それとも準粒子のコherencyの破綻を要請するか？
• RQ3 ショットノイズは、量子臨界金属における準粒子の欠如を信頼できるプローブとして用いられるか？
• RQ4 大規模な準粒子重みの再正規化や大きなランダウパラメータを含む強相関が、拡散輸送におけるFano因子にどのように影響を与えるか？

主な発見

• 強相関を持つ拡散金属におけるショットノイズのFano因子は、準粒子重みやランダウパラメータに依存せず、普遍的に $ \sqrt{3}/4 $ に一致する。
• この結果は、準粒子残留量が無限小に近づく極限や、大きなランダウパラメータの極限においても成り立つことから、準粒子フレームワーク内での予測の頑健さを示している。
• YbRh₂Si₂における実験的に観測された $ \sqrt{3}/4 $ 以下のFano因子の抑制は、準粒子像内での強相関のみでは説明できない。
• この抑制は、準粒子コherencyの喪失を強く示唆し、重いフェルミオンの奇妙な金属におけるランダウ＝フェルミ液体記述の崩壊を示している。
• ショットノイズは、強相関金属における非準粒子的振るまいを特定する強力で普遍的なプローブとして浮き彫りになる。
• 理論的枠組みは、フェルミ液体パラダイムを超える金属相を特徴付けるためにショットノイズを体系的に用いる基盤を提供する。