[논문 리뷰] Shot noise and universal Fano factor as characterization of strongly correlated metals

Yiming Wang, Chandan Setty외 5명|arXiv (Cornell University)|2022. 11. 21.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 강한 전자 상관성이 있는 확산 금속에서의 샷 노이즈에 대한 이론적 연구를 처음으로 수행하며, 준입자 프레임워크 내에서 볼츠만-랑제비안 접근법을 사용한다. 이는 이러한 시스템에서 Fano 인자는 항상 $ \frac{\sqrt{3}}{4} $임을 보여주며, 준입자 무게나 랑제-파라미터에 관계없이 일관되게 유지된다. YbRh₂Si₂에서 관측된 Fano 인자 값의 저하 현상은 준입자 모형의 붕괴를 강하게 시사하며, 이는 양자临계점 근처에서 이상 금속 행동을 나타낸다.

ABSTRACT

Shot noise measures out-of-equilibrium current fluctuations and is a powerful tool to probe the nature of current-carrying excitations in quantum systems. Recent shot noise measurements in the heavy fermion strange metal YbRh$_2$Si$_2$ exhibit a strong suppression of the Fano factor ($F$) -- the ratio of the current noise to the average current in the DC limit. This system is representative of metals in which electron correlations are extremely strong. Here we carry out the first theoretical study on the shot noise of diffusive metals in the regime of strong correlations. A Boltzmann-Langevin equation formulation is constructed in a quasiparticle description in the presence of strong correlations. We find that $F = \sqrt{ 3}/{4}$ in such a correlation regime. Thus, we establish the aforementioned Fano factor as universal to Fermi liquids, and show that the Fano factor suppression observed in experiments on YbRh$_2$Si$_2$ necessitates a loss of the quasiparticles. Our work opens the door to systematic theoretical studies of shot noise as a means of characterizing strongly correlated metallic phases and materials.

연구 동기 및 목표

• 강한 전자 상관성이 작용하는 영역에서 준입자 기술이 붕괴될 것으로 예상되는 확산 금속에서 샷 노이즈를 이론적으로 연구하는 것.
• 기존 페르미 액체에서와 마찬가지로 강한 상관성 하에서도 Fano 인자가 보편적인가를 확인하는 것.
• YbRh₂Si₂에서 관측된 Fano 인자 값의 저하가 강한 상관성만으로 설명 가능한가, 아니면 준입자 협동성의 붕괴가 필요한가를 평가하는 것.
• 양자 임계점 금속에서 준입자가 존재하지 않음을 진단하는 데 샷 노이즈를 활용할 수 있는지 확인하는 것.

제안 방법

• 강한 상관성이 있는 금속에서의 확산 운반을 위한 볼츠만-랑제비안 방정식을 수립하며, 준입자 동역학과 확률적 노이즈 소스를 포함한다.
• 불순물 산산이 산란에 대해 생애 시간 근사법을 적용하고, 분포 함수의 대칭 및 비대칭 성분으로 운동량 공간 분해를 수행한다.
• 관계식 $ \langle \delta J_{\alpha} \delta J_{\beta} \rangle \propto \delta_{\alpha\beta} \delta(t-t') \delta(x-x') $ 를 사용하여 랑제비안 노이즈 소스를 상관시키고 운동량 공간에 대해 통합함으로써 전류 노이즈의 전력 스펙트럼 밀도를 유도한다.
• 전력 스펙트럼 밀도 $ S $ 와 평균 전류 $ I $ 를 사용하여 Fano 인수 $ F = S / (2eI) $ 를 계산하여, 정 steady 상태에서 $ F = \sqrt{3}/4 $ 를 도출한다.
• 재규격화된 준입자 무게와 랑제-파라미터를 포함한 랑제 준입자 프레임워크를 사용하여, $ F $ 가 이러한 파rameter에 영향을 받지 않음을 보여준다.
• 영도 온도에서의 전압 편이 조건 하에서 비평형 상태를 분석하여 열 기여와 샷 노이즈를 분리한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 강한 상관성이 있는 확산 금속에서 Fano 인자가 기존 페르미 액체와 마찬가지로 $ \sqrt{3}/4 $ 로 유지되는가?
• RQ2 YbRh₂Si₂에서 관측된 Fano 인자 값의 저하 현상은 준입자 프레임워크 내에서 설명 가능한가, 아니면 준입자 협동성의 붕괴가 필요한가?
• RQ3 샷 노이즈는 양자 임계점 금속에서 준입자가 존재하지 않음을 진단하는 데 신뢰할 수 있는 도구인가?
• RQ4 강한 상관성, 특히 큰 준입자 무게 재규격화와 큰 랑제-파라미터는 확산 운반에서 Fano 인수에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 강한 상관성이 있는 확산 금속에서 샷 노이즈의 Fano 인자는 준입자 무게나 랑제-파라미터에 관계없이 항상 $ \sqrt{3}/4 $ 로 보편적이다.
• 이 결과는 준입자 잔여량이 무한소로 수렴하거나 랑제-파라미터가 매우 클 경우에도 유지되며, 준입자 프레임워크 내에서 이 예측의 강건성을 보여준다.
• YbRh₂Si₂에서 관측된 Fano 인자 값의 $ \sqrt{3}/4 $ 이하 저하는 준입자 프레임워크 내에서 강한 상관성만으로는 설명될 수 없다.
• 이 저하는 준입자 협동성의 상실을 강하게 시사하며, 이는 이 중성자 금속에서의 랑제-페르미 액체 기술의 붕괴를 지적한다.
• 샷 노이즈는 강한 상관성이 있는 금속에서 준입자 행동이 없는지를 진단하는 강력하고 보편적인 도구로 부상한다.
• 이 이론적 프레임워크는 페르미 액체 이론의 범위를 초월한 금속 상을 특성화하기 위한 샷 노이즈의 체계적 응용 기반을 제공한다.