[논문 리뷰] Thermoelectric signatures of the electron-phonon fluid in PtSn4

Chenguang Fu, Thomas Scaffidi외 14명|arXiv (Cornell University)|2018. 02. 26.

Thermodynamic and Structural Properties of Metals and Alloys참고 문헌 22인용 수 16

한 줄 요약

이 연구는 열전기 및 전송 측정을 통해 디라크 반금속 PtSn4에서 유체역학적 전자-음향파 유체 행동을 규명한다. 14 K 근처에서 음향파 끌림 피크가 열전력에 관찰되고, 솔로르프 값 이하에서 로렌츠 비율의 붕괴가 나타나, 운동량 보존 및 운동량 소실을 일으키는 산란 시간 상수의 계층적 구조가 확인되며, 이는 점성 전자-음향파 유체역학의 핵심적 특징이다.

ABSTRACT

In most materials, transport can be described by the motion of distinct species of quasiparticles, such as electrons and phonons. Strong interactions between quasiparticles, however, can lead to collective behaviour, including the possibility of viscous hydrodynamic flow. In the case of electrons and phonons, an electron-phonon fluid is expected to exhibit strong phonon-drag transport signatures and an anomalously low thermal conductivity. The Dirac semi-metal PtSn4 has a very low resistivity at low temperatures and shows a pronounced phonon drag peak in the low temperature thermopower; it is therefore an excellent candidate for hosting a hydrodynamic electron-phonon fluid. Here we report measurements of the temperature and magnetic field dependence of the longitudinal and Hall electrical resistivities, the thermopower and the thermal conductivity of PtSn4. We confirm a phonon drag peak in the thermopower near 14 K and observe a concurrent breakdown of the Lorenz ratio below the Sommerfeld value. Both of these facts are expected for an electron-phonon fluid with a quasi-conserved total momentum. A hierarchy between momentum-conserving and momentum-relaxing scattering timescales is corroborated through measurements of the magnetic field dependence of the electrical and Hall resistivity and of the thermal conductivity. These results show that PtSn4 exhibits key features of hydrodynamic transport.

연구 동기 및 목표

• 저온에서 PtSn4가 유체역학적 전자-음향파 유체를 갖는지 조사하기 위해.
• 집단적 전자-음향파 행동의 열전기적 서식으로서의 음향파 끌림 및 비정상적 열전도를 식별하기 위해.
• 재료 내에서 운동량 보존 및 운동량 소실 산란 과정 간의 상대적 시간 상수 계층을 규명하기 위해.
• 강한 전자-음향파 결합을 갖는 디라크 반금속에서 유체역학적 전송 모델의 타당성을 검증하기 위해.

제안 방법

• 온도 및 자기장의 함수로 종방향 및 할 전기 저항도를 측정하기 위해.
• 14 K 근처에서 음향파 끌림 효과를 탐지하기 위해 열전력의 정량적 분석을 수행하기 위해.
• 운동량 회복과의 이격 정도를 평가하기 위해 열전도도 분석을 수행하기 위해.
• 로렌츠 비율이 솔로르프 값 이하로 붕괴되는 것을 분석하여 운동량 보존 전자-음향파 산란을 탐지하기 위해.
• 저항도 및 열전도도의 자기장 의존성을 활용하여 운동량 보존 및 운동량 소실 산란 메커니즘을 구분하기 위해.
• 실험 데이터를 전자-음향파 유체에 대한 유체역학적 전송 모델과 비교하기 위해.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 PtSn4는 저온에서 열전력에 음향파 끌림을 나타내는가? 이는 집단적 전자-음향파 행동을 시사하는가?
• RQ2 로렌츠 비율이 솔로르프 값 이하로 붕괴되는가? 이는 운동량 보존 전자-음향파 산란을 시사하는가?
• RQ3 PtSn4에서 운동량 보존 및 운동량 소실 산란 과정 간의 상대적 시간 상수 계층은 어떠한가?
• RQ4 저항도 및 열전도도의 자기장 의존성은 유체역학적 전송과 표준 준입자 전송을 어떻게 구분할 수 있는가?
• RQ5 PtSn4는 열전기적 및 열적 반응에서 얼마나 유체역학적 전송 특성을 나타내는가?

주요 결과

• 14 K 근처에서 뚜렷한 음향파 끌림 피크가 열전력에서 관측되어 강한 전자-음향파 결합과 집단적 유체 유사 행동을 시사한다.
• 솔로르프 값 이하에서 로렌츠 비율이 비정상적으로 낮게 나타나, 운동량 보존 전자-음향파 산란의 존재를 확인한다.
• 종방향 및 할 저항도의 자기장 의존성은 운동량 보존 및 운동량 소실 산란 시간 상수 간의 계층적 구조를 드러낸다.
• 열전도도 측정 결과는 운동량 회복이 억제된 장수명 전자-음향파 유체의 존재를 지지한다.
• 통합된 전송 및 열전기 데이터는 PtSn4에서 유체역학적 전송의 강력한 증거를 제공한다.
• 결과적으로 이 연구는 PtSn4가 저온에서 유체역학적 전자-음향파 유체를 갖는 물질 체계임을 확립한다.