[논문 리뷰] Electrical and Thermal Transport at the Planckian Bound of Dissipation in the Hydrodynamic Electron Fluid of WP2

Johannes Gooth, Fabian Menges외 8명|arXiv (Cornell University)|2017. 06. 19.

Quantum and electron transport phenomena참고 문헌 40인용 수 69

한 줄 요약

논문은 WP2에서의 수력학적 전자 흐름을 보고하며 운동량과 열 에너지에 대한 Planckian-제한 소모를 보이고 Weyl 준금속에서 Wiedemann–Franz 법칙의 위반을 보인다.

ABSTRACT

Materials with strongly-correlated electrons exhibit interesting phenomena such as metal-insulator transitions and high-temperature superconductivity. In stark contrast to ordinary metals, electron transport in these materials is thought to resemble the flow of viscous fluids. Despite their differences, it is predicted that transport in both, conventional and correlated materials, is fundamentally limited by the uncertainty principle applied to energy dissipation. Here we discover hydrodynamic electron flow in the Weyl-semimetal tungsten phosphide (WP2). Using thermal and magneto-electric transport experiments, we observe the transition from a conventional metallic state, at higher temperatures, to a hydrodynamic electron fluid below 20 K. The hydrodynamic regime is characterized by a viscosity-induced dependence of the electrical resistivity on the square of the channel width, and by the observation of a strong violation of the Wiedemann-Franz law. From magneto-hydrodynamic experiments and complementary Hall measurements, the relaxation times for momentum and thermal energy dissipating processes are extracted. Following the uncertainty principle, both are limited by the Planckian bound of dissipation, independent of the underlying transport regime.

연구 동기 및 목표

• 강하게 상관관계가 높은 Weyl 준금속 재료(WP2)에서 수력학적 전자 흐름을 동기화하고 식별한다.
• 항온 ~20 K 이하에서 열 및 자기전기 측정을 이용해 일반적인 금속 전도에서 수력학적 전도로의 전이 특징을 파악한다.
• Planckian 한계와 관련된 관계를 실험적으로 추출하고 그 relaxation 시간들을 검증한다.
• 점도와 전역 수력학이 전기적/열적 수송 특성에 미치는 영향을 Demonstrate한다.

제안 방법

• 다양한 온도 범위에서 WP2에 대한 열 및 자기전기 수송 실험을 수행한다.
• 전도 저항의 채널 폭 의존성을 분석해 점도 유도 효과를 식별한다.
• 수력역에서 Wiedemann–Franz 관계의 위반을 검출하기 위해 관계를 측정한다.
• 자기수력역학 및 홀측정을 이용해 운동량 및 열 소모의 relaxation 시간을 추출한다.
• 소모의 한계로 Planckian bound와의 비교를 통해 소모 한계의 벤치마크를 제시한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WP2가 ~20 K 이하로 온도가 내려갈 때 수력학적 전자 흐름을 보이는가?
• RQ2 점도 및 수력학적 효과가 전기적 저항 및 채널 폭 스케일링에 어떠한 변화를 주는가?
• RQ3 운동량 및 열 소모 relaxation 시간이 Transport regime과 무관하게 Planckian 한계에 의해 제한되는가?
• RQ4 수력학적 영역에서 Wiedemann–Franz 법칙이 얼마나 위반되는가?

주요 결과

• WP2에서 ~20 K 이하의 영역에서 수력학적 전자 유체의 존재를 확인했다.
• 채널 폭의 제곱에 따른 점도 유도 저항 의존성을 관찰했다.
• 수력학적 영역에서 Wiedemann–Franz 법칙의 강력한 위반을 관찰했다.
• 자기수력학 및 홀 데이터를 통해 운동량 및 열 소모의 relaxation 시간을 추출했다.
• 두 relaxation 시간이 Planckian 소모 한계에 의해 제한되며 불확정성 원리에 부합한다는 증거를 제시했다.
• 수력학적 전도는 다양한 전송 영역에서의 기본적 소모 한계와 연결된다.