[論文レビュー] Universal theory of strange metals from spatially random interactions

Aavishkar A. Patel, Haoyu Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Theoretical and Computational Physics参考文献 48被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、2次元の量子臨界金属における空間的にランダムなフェルミオン-スカラーヤコブ結合が、大N理論を介して、線形T依存抵抗率やプランクライン散乱を含む普遍的なスラング・メタル行動を普遍的に生成すると提案する。ランダムな相互作用が、自己エネルギーを支配する均一な結合とは対照的に輸送を支配し、T線形抵抗率、T ln(1/T)比熱、および頑健なプランクライン弛退時間を得る。

ABSTRACT

We consider two-dimensional metals of fermions coupled to quantum critical scalars, the latter representing order parameters or emergent gauge fields. We show that at low temperatures ($T$), such metals generically exhibit strange metal behavior with a $T$-linear resistivity arising from spatially random fluctuations in the fermion-scalar Yukawa couplings about a non-zero spatial average. We also find a $T\ln (1/T)$ specific heat, and a rationale for the Planckian bound on the transport scattering time. These results are obtained in the large $N$ expansion of an ensemble of critical metals.

研究の動機と目的

• 相関電子系における長年の謎である普遍的スラング・メタル行動、特にT線形抵抗率とプランクライン散乱時間の解明を目的とする。
• 多様な量子臨界金属でスラング・メタルの物性を生成可能な、普遍的な微視的メカニズム—空間的にランダムなヤコブ結合—の同定を目的とする。
• 清浄な量子臨界金属が強い電子ボソン結合を持ちながらもなぜスラング・メタル輸送を示さないかを説明することを目的とする。
• 空間的不純度がヤコブ結合に及ぼす影響—均一な結合ではなく—が輸送を支配し、普遍的輸送スケーリングを生じることを示すこと。

提案手法

• ヤコブ相互作用を介して量子臨界スカラーフィールドと結合する2次元フェルミオンの、大N場理論を構築する。
• 大N展開を用いて自己エネルギーおよび頂点補正を体系的に再結合し、鞍点有効作用に注目する。
• ヤコブ結合（g'）およびスカラーマス（m_b）に空間的不純度を導入し、ガウス分布を用いたクエンチド不純度としてモデル化する。
• スカラーフィールドの固有モードに変換し、不純度を再結合された結合定数に吸収させることで、Kにおける空間的不純度が無関係であることを示す。
• 大N極限におけるエリアシュベルク型方程式を用いて、フェルミオンの自己エネルギーおよび輸送散乱率を計算する。
• 抵抗率、比熱、散乱率のスケーリングを分析し、プランクライン境界がランダム結合の揺らぎに起因することを特定する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 量子臨界金属における空間的ランダムヤコブ結合は、スラング・メタルで観測される普遍的T線形抵抗率を説明できるか？
• RQ2 強い結合があるにもかかわらず、量子臨界金属の清浄極限がなぜスラング・メタル輸送を示さないのか？
• RQ3 均一な結合が自己エネルギーを支配する中で、なぜヤコブ結合のランダム揺らぎが輸送を支配するのか？
• RQ4 この不純度を含む量子臨界フレームワークにおいて、T ln(1/T)比熱とプランクライン散乱時間の起源は何か？
• RQ5 このメカニズムは、さまざまなタイプの量子臨界秩序パラメータまたは分数量子励起に普遍的に適用可能か？

主な発見

• 空間的ランダムヤコブ結合は、均一な結合が自己エネルギーを支配する場合でも、2次元量子臨界金属でT線形抵抗率を生成する。
• 理論は、スラング・メタルで観測された異常な増幅と一致する比熱スケーリングT ln(1/T)を予測する。
• 輸送散乱時間はランダム散乱過程の支配によりプランクライン境界に達し、τ ∼ ℏ/(k_B T) となる。
• フェルミオンの自己エネルギーは、量子臨界金属の光電子分光データと整合するマージナルフェルミ液体行動を示す。
• スカラーマス（m_b）やヤコブ結合（g'）の不純度は強く関連しており、再結合された結合定数に吸収可能であり、普遍的輸送スケーリングに影響を与えない。
• ヤコブ頂点における運動量非保存性のおかげで、このメカニズムは、零または非零運動量の秩序パラメータおよび複数のフェルミ表面の両方に対して普遍的である。