[論文レビュー] Thermoelectric signatures of the electron-phonon fluid in PtSn4

Chenguang Fu, Thomas Scaffidi+14 more|arXiv (Cornell University)|Feb 26, 2018

Thermodynamic and Structural Properties of Metals and Alloys参考文献 22被引用数 16

ひとこと要約

本研究では、熱電および輸送測定を通じて、PtSn4における流体的電子フォノン相互作用の水力学的挙動を同定した。14 K付近でフォノンドライブピークが観測され、ソーモンフェルト値未満のローレンツ比の破綻が確認され、運動量保存型と運動量緩和型の散乱時間スケールの階層が示され、これは粘性電子フォノン流体ダイナミクスの主要な特徴である。

ABSTRACT

In most materials, transport can be described by the motion of distinct species of quasiparticles, such as electrons and phonons. Strong interactions between quasiparticles, however, can lead to collective behaviour, including the possibility of viscous hydrodynamic flow. In the case of electrons and phonons, an electron-phonon fluid is expected to exhibit strong phonon-drag transport signatures and an anomalously low thermal conductivity. The Dirac semi-metal PtSn4 has a very low resistivity at low temperatures and shows a pronounced phonon drag peak in the low temperature thermopower; it is therefore an excellent candidate for hosting a hydrodynamic electron-phonon fluid. Here we report measurements of the temperature and magnetic field dependence of the longitudinal and Hall electrical resistivities, the thermopower and the thermal conductivity of PtSn4. We confirm a phonon drag peak in the thermopower near 14 K and observe a concurrent breakdown of the Lorenz ratio below the Sommerfeld value. Both of these facts are expected for an electron-phonon fluid with a quasi-conserved total momentum. A hierarchy between momentum-conserving and momentum-relaxing scattering timescales is corroborated through measurements of the magnetic field dependence of the electrical and Hall resistivity and of the thermal conductivity. These results show that PtSn4 exhibits key features of hydrodynamic transport.

研究の動機と目的

• PtSn4が低温で水力学的電子フォノン流体を有するかどうかを調査すること。
• フォノンドライブや異常な熱輸送といった集団的電子フォノン挙動の熱電的シグネチャーを特定すること。
• 材料内における運動量保存型と運動量緩和型の散乱プロセスの間の時間スケールの階層を特定すること。
• 強い電子フォノン結合を示すディラック半金属において、水力学的輸送モデルの妥当性を検証すること。

提案手法

• 温度および磁場の関数としての縦方向およびホール電気抵抗率の測定。
• 14 K付近でのフォノンドライブ効果を検出するための熱電力の定量的評価。
• 運動量緩和とウィードマン＝フランツ則からの逸脱を評価するための熱伝導率の分析。
• 運動量保存型電子フォノン散乱を調べるため、ローレンツ比がソーモンフェルト値未満に逸脱するかを評価。
• 抵抗率および熱伝導率の磁場依存性を用いて、運動量保存型と運動量緩和型の散乱メカニズムを区別する。
• 実験データを電子フォノン流体の水力学的輸送モデルと比較する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 PtSn4は低温において熱電力にフォノンドライブを示すか。これは集団的電子フォノン挙動を示唆する。
• RQ2 ローレンツ比がソーモンフェルト値未満に低下するか。これは運動量保存型電子フォノン散乱を示唆する。
• RQ3 PtSn4における運動量保存型と運動量緩和型の散乱プロセスの相対的時間スケールの階層は何か。
• RQ4 抵抗率および熱伝導率の磁場依存性は、水力学的輸送と標準的準粒子輸送を区別できるか。
• RQ5 PtSn4は熱電的および熱的応答において、どの程度水力学的輸送特性を示すか。

主な発見

• 14 K付近で顕著なフォノンドライブピークが熱電力に観測され、強い電子フォノン結合と流体的挙動を示唆する。
• ソーモンフェルト値未満の異常な低さのローレンツ比が確認され、運動量保存型電子フォノン散乱の存在が裏付けられた。
• 縦方向およびホール抵抗率の磁場依存性から、運動量保存型と運動量緩和型の散乱時間スケールの階層が明らかになった。
• 熱伝導率の測定結果は、運動量緩和が抑制された長寿命の電子フォノン流体の存在を支持する。
• 輸送および熱電的データの統合的分析により、PtSn4における水力学的輸送の強固な証拠が得られた。
• 本研究の結果は、PtSn4が低温で水力学的電子フォノン流体を有する材料系であることを確立した。