[논문 리뷰] Bad Metals from Density Waves

Luca V. Delacrétaz, Sean A. Hartnoll외 2명|arXiv (Cornell University)|2016. 12. 13.

Quantum and electron transport phenomena인용 수 4

한 줄 요약

논문은 변동하는 비공약 밀도파 상태가 악성 금속의 유체역학적 프레임워크를 제공하며, 이는 운동량 회복 또는 불순물과 무관한 보편적인 확산 과정에 의해 저항도가 발생한다는 것을 제안한다. 이는 광학 전도도 피크와 DC 저항도가 온도에 따라 $\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$ 로 스케일링됨을 설명하며, $T$-선형 저항도와 약한 불순물 시스템에서의 유한 저항도를 설명한다.

ABSTRACT

In many bad metals the Drude peak moves away from zero frequency as the resistivity becomes large at increasing temperatures. Bad metals likely have no long-lived quasiparticles and thus rapid local equilibration leads to hydrodynamic regimes. Within hydrodynamics a Drude peak is broadened by momentum relaxation, but can only move away from zero frequency if translations are spontaneously broken. We suggest that the hydrodynamics of fluctuating, incommensurate density wave states is therefore the correct kinematic framework for discussing these materials. We show that the resistivity of such states is determined by universal diffusive processes that are independent of the rate of momentum relaxation and strength of pinning of the density wave due to e.g. weak disorder. Even weakly disordered density wave states can have large, finite resistivities, leading to bad metal behavior. We catalogue the position and width of the peak in the observed optical conductivity of many families of bad metals and show that in many cases $\omega_ ext{peak} \sim \Delta \omega \sim k_BT/\hbar$. The optical and dc conductivity data of these materials, including the $T$-linear dc resistivity, can be understood as arising from short range quantum critical fluctuations of density wave order. Our analysis focusses on fluctuating charge density waves, but the conclusions are likely more general.

연구 동기 및 목표

• 장수명 쿼웨이프티클이 없는 상황에서도 큰 유한 저항도와 영주파수에서 이격된 드루드 피크를 보이는 악성 금속의 거동의 기원을 설명하기 위해.
• 이러한 물질에 대한 정확한 운동학적 프레임워크로 변동하는 비공약 밀도파 상태의 유체역학을 규명하기 위해.
• 이 시스템에서 저항도가 운동량 회복률이나 불순물 강도에 관계없이 보편적인 확산 과정에 의해 지배된다는 것을 보여주기 위해.
• 악성 금속 계열 간의 광학 및 DC 전도도 데이터를 $k_B T/\hbar$ 를 포함한 동일한 스케일링 행동으로 연결하기 위해.

제안 방법

• 변동하는 비공약 밀도파 상태의 유체역학적 반응을 분석하며, 운동량 회복 및 확산 과정에 집중한다.
• 자기 대칭성이 깨진 시스템에서의 운반을 기술하기 위해 유체역학 효과 이론을 사용한다.
• 밀도파 변동에서 기인하는 확산 모드가 존재하는 조건에서 광학 전도도를 유도한다.
• 기억 매트릭스 근사를 적용하여 운동량 회복가 존재하는 조건에서 자기에너지와 넓어진 드루드 피크를 계산한다.
• 광학 전도도에서 피크 주파수 $\omega_{\text{peak}}$ 와 너비 $\Delta\omega$ 가 온도의 보편적 함수임을 규명한다.
• 이론적 예측을 다양한 악성 금속 계열의 실험 데이터와 비교하여 $\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$ 의 스케일링을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 장수명 쿼웨이프티클이 없는 상황에서도 악성 금속이 영주파수에서 이격된 드루드 피크를 어떻게 나타낼 수 있는가?
• RQ2 약한 불순물이 존재하는 상황에서도 악성 금속의 저항도가 왜 크고 유한한가?
• RQ3 악성 금속에서의 $T$-선형 저항도와 광학 전도도 피크의 스케일링을 뒷받침하는 보편적인 운반 메커니즘은 무엇인가?
• RQ4 왜 변동하는 밀도파 상태가 운동량 회복에 독립적인 저항도를 갖는 유체역학적 운반을 이끌어내는가?
• RQ5 광학 및 DC 전도도가 악성 금속에서 얼마나 넓은 범위로 짧은 거리의 양자临계 fluctuations에 의해 통합적 프레임워크로 설명될 수 있는가?

주요 결과

• 악성 금속에서 광학 전도도의 피크 주파수 $\omega_{\text{peak}}$ 와 너비 $\Delta\omega$ 는 여러 물질 계열에 걸쳐 보편적으로 $k_B T/\hbar$ 로 스케일링된다.
• 운동량 회복률이나 불순물 강도에 관계없이, 약한 불순물이 존재하는 밀도파 상태에서 저항도는 보편적인 확산 과정으로 인해 여전히 크고 유한하다.
• 드루드 피크가 영주파수에서 이격되는 것은 전이 대칭이 자발적으로 깨질 때 발생하며, 이는 비공약 밀도파 상태에서 발생한다.
• 변동하는 밀도파 시스템에서의 유체역학적 운반은 강한 산란이나 쿼웨이프티클 붕괴를 요구하지 않고 관측된 $T$-선형 DC 저항도를 설명한다.
• 악성 금속의 광학 전도도 데이터, 특히 피크의 위치와 너비는 전하 밀도파 오더의 국소적 양자临계 fluctuations에 의해 정량적으로 설명된다.
• 이 프레임워크는 전하 밀도파를 넘어서도 널리 적용 가능하며, 변동하는 오더를 갖는 시스템에서 악성 금속 거동의 일반적 메커니즘을 시사한다.