[논문 리뷰] Transport in the emergent Bose liquid: Bad metal, strange metal, and weak insulator, all in one system

Tao Zeng, Anthony Hegg외 3명|arXiv (Cornell University)|2021. 12. 10.

Advanced Thermoelectric Materials and Devices인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 강한 상관성 물질에서 악성 금속, 이상 금속, 약한 절연체 행동의 공존을 온도 의존성 광학 전도도를 통해 기초로 삼아, 기댓어진 보즈 액체(EBL) 모델이 이를 설명할 수 있음을 제안한다. 이 모델은 셰커보드 격자에서 집합적인 보스온 진동을 기반으로 하여, 특이점이 없는 연속 스펙트럼, 강건한 중간 적외선 피크, T선형 저항율 등의 주요 실험적 특징을 재현하며, 이는 이전에 상충되던 운반 현상들을 하나의 양자 상태로 통합한다.

ABSTRACT

Non-saturating high-temperature resistivity ("bad metal"), T-linear low-temperature resistivity ("strange metal"), and a crossover to activation-free growth of the resistivity in the low-temperature limit ("weak insulator") are among the most exotic behaviors widely observed in many strongly correlated materials for decades that defy the standard Fermi liquid description of solids. Here we investigate these puzzling behaviors by computing temperature-dependent optical conductivity of an emergent Bose liquid and find that it reproduces all the unexplained features of the experiments, including a featureless continuum and a well-known mid-infrared peak. Amazingly and with physically intuitive mechanisms, the corresponding doping- and temperature-dependent resistivity displays the bad metal and strange metal simultaneously and sometimes weak insulating behaviors as well. The unification of all these non-Fermi liquid behaviors in a single model suggests that a new quantum state of matter, namely the emergent Bose liquid, will guide the development of the next generation of solid state physics.

연구 동기 및 목표

• 강한 상관성 물질에서 관찰된 비페르미 액체 운반 거동—악성 금속, 이상 금속, 약한 절연체—에 대한 오랜 동안의 수수께끼를 설명하기 위해.
• 다양한 난이도 있는 운반 특징을 동시에 재현할 수 있는 통합된 양자 상태의 물질을 규명하기 위해.
• 이러한 거동이 페르미온 준입자 대신 기댓어진 격자에서의 집합적 보스온 진동에서 기인한다는 것을 입증하기 위해.
• 관측된 광학 전도도 특징—특히 온도에 민감하지 않은 중간 적외선 피크와 넓은 연속 스펙트럼—에 대한 물리적으로 직관적인 메커니즘을 제공하기 위해.

제안 방법

• 결합된 구멍 쌍으로 형성된 셰커보드 격자에서 기댓어진 보즈 액체(EBL) 모델을 수립하며, 보스온 입자들이 가장 가까운 이웃과 그 다음 가까운 이웃 사이에서 피벗 운동을 통해 이동한다.
• EBL의 밴드 구조와 상태 밀도를 계산하여 부르너존 가장자리에 두 개의 반바퀴 특이점이 존재함을 밝혀내며, 이는 중간 적외선 피크의 에너지 척도를 정의한다.
• 비교교란 이론 기반의 접근법을 사용해 EBL 프레임워크 내에서 광학 전도도를 계산하여 드루드 유사 반응과 스펙트럼 무게 이행을 캡처한다.
• 드루드 공식을 통해 광학 전도도로부터 온도 의존성 저항율을 유도함으로써 실험과 직접 비교할 수 있도록 한다.
• 스펙트럼 무게 이행과 넓이 증가를 분석하기 위해 특정 주파수 커프에 이하의 통합 스펙트럼 무게 비율을 추적하며, 실험 경향과 양호한 일치를 보인다.
• LSCO, Bi-2212, LaFePO, 2H-TaSe2의 실험 데이터와의 비교를 통해 모델을 검증하였으며, 온도 및 도핑 조건에 걸쳐 반정량적 일치를 보였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 한 개의 양자 상태가 강한 상관성 물질에서 악성 금속, 이상 금속, 약한 절연체 행동의 공존을 설명할 수 있는가?
• RQ2 다양한 물질에서 관측된 지속적인 중간 적외선 피크와 넓은 연속 스펙트럼의 배경이 되는 물리적 메커니즘은 무엇인가?
• RQ3 저주파수 피크 폭이 큰 온도 변화에도 불구하고 거의 온도 의존성이 없는 이유는 무엇인가?
• RQ4 페르미온 준입자에 의존하지 않고 T선형 저항율과 모트-이오프-레겔 한계 위반 현상을 어떻게 설명할 수 있는가?
• RQ5 기댓어진 보즈 액체 모델이 도핑 및 온도 영역에 걸쳐 실험적 저항율과 스펙트럼 무게 변화를 얼마나 정량적으로 재현할 수 있는가?

주요 결과

• 기댓어진 보즈 액체 모델은 페르미온 준입자 대신 집합적 보스온 진동을 통해 운반을 기술함으로써 고온에서 포화되지 않는 높은 온도의 저항율과 모트-이오프-레겔 한계 위반 현상을 재현한다.
• 모델은 넓은 온도 범위에서 T선형 저항율을 생성하며, 이는 코프레이트, 두꺼운 이중층 그래핀, 기타 상관계가 있는 시스템에서 관측된 이상 금속 거동과 일치한다.
• 저온에서는 저항율이 로그-유사한 증가를 보이며 약한 절연체 거동으로 전이되며, LSCO와 Bi-2212의 실험 관측과 일치한다.
• EBL 모델에서 계산된 광학 전도도는 특이점이 없는 연속 스펙트럼과 잘 정의된 중간 적외선 피크를 보이며, PdTe2와 Bi-2212의 실험 데이터와 높은 정확도로 일치한다.
• 주파수 커프에 이하의 통합 스펙트럼 무게 비율로 측정된 스펙트럼 무게 이행의 온도 의존성은 LSCO와 Bi-2212의 실험 경향과 밀도적으로 일치한다.
• EBL 모델의 드루드 무게는 LSCO의 면내 저항율에 대해 뛰어난 경험적 피팅을 제공하며, 저온에서 잘 알려진 ln(1/T) 행동을 포함하지만, 격자 진동 기여에 대한 도핑 독립적 이동만 존재한다.