[논문 리뷰] Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2 with cryogenic quantum magnetometry

Uri Vool, Assaf Hamo외 13명|arXiv (Cornell University)|2020. 09. 09.

Electronic and Structural Properties of Oxides인용 수 21

한 줄 요약

이 연구는 극저온 질소-빈약자기 측정법을 사용하여 WTe2에서의 유체역학적 전자 흐름을 영상화하여 약 20 K에서 최대 유체역학적 행동을 보이며 비단조화적인 온도 의존성을 확인하였다. 결과는 밀도함수 이론 계산과 볼츠만 운반 이론 모델링을 통해 확인되었으며, WTe2에서 전자-전자 상호작용이 주로 격자진동에 의해 매개됨을 직접적으로 입증하여 고밀도 반도체에서의 격자진동 매개 유체역학의 증거를 제공한다.

ABSTRACT

In the presence of strong interactions, electrons in condensed matter systems can behave hydrodynamically thereby exhibiting classical fluid phenomena such as vortices and Poiseuille flow. While in most conductors large screening effects minimize electron-electron interactions, hindering the search for possible hydrodynamic candidate materials, a new class of semimetals has recently been reported to exhibit strong interactions. In this work, we study the current flow in the layered semimetal tungsten ditelluride (WTe2) by imaging the local magnetic field above it using a nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond. Our cryogenic scanning magnetometry system allows for temperature-resolved measurement with high sensitivity enabled by the long defect spin coherence. We directly measure the spatial current profile within WTe2 and find it differs substantially from the uniform profile of a Fermi liquid, indicating hydrodynamic flow. Furthermore, our temperature-resolved current profile measurements reveal an unexpected non-monotonic temperature dependence, with hydrodynamic effects strongest at ~20 K. We further elucidate this behavior via ab initio calculations of electron scattering mechanisms, which are used to extract a current profile using the electronic Boltzmann transport equation. These calculations show quantitative agreement with our measurements, capturing the non-monotonic temperature dependence. The combination of experimental and theoretical observations allows us to quantitatively infer the strength of electron-electron interactions in WTe2. We show these strong electron interactions cannot be explained by Coulomb repulsion alone and are predominantly phonon-mediated. This provides a promising avenue in the search for hydrodynamic flow and strong interactions in high carrier density materials.

연구 동기 및 목표

• 층상 반도체 WTe2에서 강한 전자-전자 상호작용을 갖는 후보 물질로의 유체역학적 전자 흐름을 연구하기 위해.
• 실험적으로 관측된 비단조화적인 경향을 보이는 WTe2에서의 유체역학적 행동의 온도 의존성을 규명하기 위해.
• WTe2에서 강한 전자-전자 상호작용의 미세 구조적 기원을 결정하기 위해, 쿨롱 상호작용과 격자진동 매개 메커니즘 간의 차이를 밝혀내기 위해.
• 볼츠만 운반 방정식을 통해 실험적 자기장 영상과 전자 운반 이론을 정량적으로 연결하기 위해.

제안 방법

• 고온도에서의 고해상도 자기장 영상 측정을 위해 극저온 스캐닝 NV 자화도측정 시스템을 사용하여 WTe2 표면 위의 국소 자기장을 맵핑하였다.
• 다이아몬드 내 NV 중심의 긴 스핀 공명 시간을 활용하여 저온에서 높은 자기장 감도를 확보하였다.
• 표면 위의 자기장 분포를 통해 공간적 전류 분포를 측정하였으며, 이는 기초적인 전류 흐름을 반영한다.
• 전자 산란 메커니즘의 밀도함수 이론 계산을 수행하여 전자-전자 및 전자-격자진동 상호작용을 모델링하였다.
• 산란률을 계산하여 전자 볼츠만 운반 방정식을 해결하고 전류 분포를 예측하였다.
• 이론적 전류 분포를 실험 측정 결과와 비교하여 격자진동 매개 상호작용 모델의 타당성을 검증하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WTe2는 비균일한 전류 분포로 인해 유체역학적 전자 흐름을 나타내는가?
• RQ2 왜 WTe2에서의 유체역학적 행동은 약 20 K에서 최대를 보이며 비단조화적인 온도 의존성을 보이는가?
• RQ3 WTe2에서 강한 전자-전자 상호작용은 주로 쿨롱 반발력 때문이냐, 격자진동 매개 과정 때문이냐?
• RQ4 산란 메커니즘의 밀도함수 이론 계산이 WTe2에서 관측된 전류 분포를 정량적으로 재현할 수 있는가?
• RQ5 관측된 유체역학적 운반에서 전자-격자진동 산란의 상대 기여는 얼마인가?

주요 결과

• 측정된 WTe2의 전류 분포는 페르미 액체에서 예상되는 균일한 분포와 크게 다름을 확인하여 유체역학적 흐름을 확인하였다.
• 유체역학적 효과는 약 20 K에서 가장 강하며 비단조화적인 온도 의존성을 보였다.
• 전자 산란 메커니즘의 밀도함수 이론 계산이 실험 전류 분포를 정량적으로 재현하였다.
• 이론과 실험 간의 일치는 WTe2에서 전자-전자 상호작용이 주로 격자진동에 의해 매개됨을 시사하며, 순수하게 쿨롱 상호작용에 의해 유도된 것이 아님을 의미한다.
• 이 연구는 고밀도 반도체에서의 격자진동 매개 유체역학에 대한 직접적인 실험적 및 이론적 증거를 제공한다.
• 결과는 WTe2가 2차원 물질에서 강한 전자 상호작용과 유체역학적 운반을 연구하기 위한 유망한 플랫폼임을 입증한다.