[논문 리뷰] Universal theory of strange metals from spatially random interactions

Aavishkar A. Patel, Haoyu Guo외 2명|arXiv (Cornell University)|2022. 03. 09.

Theoretical and Computational Physics참고 문헌 48인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 두 차원의 양자临계 금속에서 공간적으로 무작위로 분포한 페르미온-스칼라 유크라 보상 상호작용이 대규모 N 이론을 통해 이상 금속 행동을 일반적으로 생성한다고 제안한다. 이는 선형 T 의 저항성과 플랑크 상수의 산란을 포함한다. 무작위 상호작용은 자가에너지에서 지배적인 균일한 결합에도 불구하고 운반을 지배하며, T 선형 저항성, T ln(1/T)의 비열, 그리고 강건한 플랑크 상수의 회복 시간을 초래한다.

ABSTRACT

We consider two-dimensional metals of fermions coupled to quantum critical scalars, the latter representing order parameters or emergent gauge fields. We show that at low temperatures ($T$), such metals generically exhibit strange metal behavior with a $T$-linear resistivity arising from spatially random fluctuations in the fermion-scalar Yukawa couplings about a non-zero spatial average. We also find a $T\ln (1/T)$ specific heat, and a rationale for the Planckian bound on the transport scattering time. These results are obtained in the large $N$ expansion of an ensemble of critical metals.

연구 동기 및 목표

• 상호작용 전자 시스템에서 오랫동안 해결되지 않은 이상 금속 행동의 보편성, 특히 T 선형 저항성과 플랑크 상수 산란 시간의 원인을 밝히기 위해.
• 다양한 양자临계 금속에서 이상 금속 현상학을 생성할 수 있는 보편적인 미시적 메커니즘—공간적으로 무작위로 분포한 유크라 보상 상호작용—를 규명하기 위해.
• 청정 상태의 양자临계 금속이 강한 전자-보손 결합에도 불구하고 이상 금속 운반을 생성하지 못하는 이유를 설명하기 위해.
• 공간적 불순물이 유크라 보상 상호작용에 의해 운반을 지배하며, 이로 인해 보편적인 운반 스케일링이 발생함을 보여주기 위해.

제안 방법

• 공간적으로 무작위로 분포한 상호작용을 통해 두 차원의 페르미온이 양자临계 스칼라 장과 결합된 대규모 N 양자장 이론을 수립한다.
• 대규모 N 전개를 사용하여 자가에너지 및 정점 보정을 체계적으로 재수렴하고, 안정점 효과적 작용에 집중한다.
• 유크라 보상 상호작용(g')과 스칼라 질량(m_b)에 공간적 불순물을 도입하여, 가우시안 분포를 가진 고정된 불순물로 모델링한다.
• 스칼라 장의 고유모드로 변환하여 불순물을 재규격화된 상호작용으로 흡수시키며, K에 대한 공간적 불순물의 영향이 무시 가능함을 보인다.
• 대규모 N 근사에서 엘리아시버그 유사 방정식을 사용하여 페르미온 자가에너지 및 운반 산란률을 계산한다.
• 저항성, 비열 및 산란률의 스케일링을 분석하며, 플랑크 상수 경계가 무작위 상호작용 변동의 결과임을 규명한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 양자临계 금속에서 공간적으로 무작위로 분포한 유크라 보상 상호작용이 이상 금속에서 관측된 보편적인 T 선형 저항성을 설명할 수 있는가?
• RQ2 강한 결합에도 불구하고 청정 상태의 양자临계 금속이 이상 금속 운반을 생성하지 못하는 이유는 무엇인가?
• RQ3 무작위 변동이 자가에너지에서 지배적인 균일한 상호작용에도 불구하고 운반을 지배하는 이유는 무엇인가?
• RQ4 이 불순물이 있는 양자临계 프레임워크에서 T ln(1/T) 비열과 플랑크 상수 산란 시간의 기원은 무엇인가?
• RQ5 이 메커니즘은 다양한 종류의 양자临계 오더 파라미터 또는 분할된 진동자에 대해 보편적인가?

주요 결과

• 공간적으로 무작위로 분포한 유크라 보상 상호작용은 자가에너지에서 지배적인 균일한 상호작용이 존재하더라도, 두 차원의 양자临계 금속에서 T 선형 저항성을 생성한다.
• 이 이론은 T ln(1/T) 비열 스케일링을 예측하며, 이상 금속에서 관측된 비정상적인 증가와 일치한다.
• 운반 산란 시간은 무작위 산란 과정의 지배성으로 인해 플랑크 상수 경계에 도달하며, τ ∼ ℏ/(k_B T)로 나타난다.
• 페르미온 자가에너지는 사진전자 방출 실험에서 관측된 양자临계 금속과 일치하는 경계 Fermi 액체 행동을 나타낸다.
• 스칼라 질량(m_b) 또는 유크라 보상 상호작용(g')의 불순물 효과는 강력하게 관련되어 있으며, 재규격화된 상호작용으로 흡수될 수 있으나 보편적인 운반 스케일링에는 영향을 주지 않는다.
• 유크라 보상 상호작용의 고유모드에서 운동량 보존이 이루어지지 않기 때문에, 이 메커니즘은 다양한 오더 파라미터(영 또는 비영 운동량) 및 다중 페르미 표면에 대해 보편적이다.