[论文解读] Bad Metals from Density Waves

Luca V. Delacrétaz, Sean A. Hartnoll+2 more|arXiv (Cornell University)|Dec 13, 2016

Quantum and electron transport phenomena被引用 4

一句话总结

该论文提出，自旋密度波的涨落非公度密度波态提供了理解坏金属的流体动力学框架，其中电阻率源于与动量弛豫或无序无关的普遍扩散过程。研究表明，光学电导率的峰值频率与电阻率随温度的变化关系为 $\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$，解释了线性温度依赖的电阻率以及弱无序系统中的有限电阻率。

ABSTRACT

In many bad metals the Drude peak moves away from zero frequency as the resistivity becomes large at increasing temperatures. Bad metals likely have no long-lived quasiparticles and thus rapid local equilibration leads to hydrodynamic regimes. Within hydrodynamics a Drude peak is broadened by momentum relaxation, but can only move away from zero frequency if translations are spontaneously broken. We suggest that the hydrodynamics of fluctuating, incommensurate density wave states is therefore the correct kinematic framework for discussing these materials. We show that the resistivity of such states is determined by universal diffusive processes that are independent of the rate of momentum relaxation and strength of pinning of the density wave due to e.g. weak disorder. Even weakly disordered density wave states can have large, finite resistivities, leading to bad metal behavior. We catalogue the position and width of the peak in the observed optical conductivity of many families of bad metals and show that in many cases $\omega_ ext{peak} \sim \Delta \omega \sim k_BT/\hbar$. The optical and dc conductivity data of these materials, including the $T$-linear dc resistivity, can be understood as arising from short range quantum critical fluctuations of density wave order. Our analysis focusses on fluctuating charge density waves, but the conclusions are likely more general.

研究动机与目标

• 解释坏金属行为的起源——其特征为大而有限的电阻率以及布居峰从零频率发生偏移，尽管缺乏长寿命准粒子。
• 识别涨落的非公度密度波态的流体动力学为这些材料的正确运动学框架。
• 表明此类系统中的电阻率由与动量弛豫率或无序强度无关的普遍扩散过程所主导。
• 将不同坏金属家族的光学电导率与直流电导率数据统一到一个涉及 $k_B T/\hbar$ 的共同标度行为中。

提出的方法

• 分析涨落的非公度密度波态的流体动力响应，重点关注动量弛豫与扩散过程。
• 使用流体动力学有效场论描述具有自发空间平移对称性破缺的系统的输运行为。
• 推导出由密度波涨落引起的扩散模式下的光学电导率。
• 应用记忆矩阵近似计算动量弛豫存在下的自能与展宽的布居峰。
• 将光学电导率中的峰值频率 $\omega_{\text{peak}}$ 与宽度 $\Delta\omega$ 识别为温度的普遍函数。
• 将理论预测与多个坏金属家族的实验数据进行比较，以验证 $\omega_{\text{peak}} \sim \Delta\omega \sim k_B T/\hbar$ 的标度关系。

实验结果

研究问题

• RQ1 为何坏金属即使缺乏长寿命准粒子，其布居峰仍会从零频率发生偏移？
• RQ2 为何在弱无序条件下，坏金属的电阻率仍保持大而有限？
• RQ3 哪些普遍输运机制导致了坏金属中线性温度依赖的电阻率以及光学电导率峰值的标度行为？
• RQ4 涨落的密度波态如何导致与动量弛豫无关的流体动力学输运与电阻率？
• RQ5 坏金属的光学电导率与直流电导率在多大程度上可统一于短程量子临界涨落的单一框架之下？

主要发现

• 坏金属中光学电导率的峰值频率 $\omega_{\text{peak}}$ 与宽度 $\Delta\omega$ 均以 $k_B T/\hbar$ 的形式普遍标度，且在多个材料家族中保持一致。
• 在弱无序的密度波态中，电阻率仍保持大而有限，其根源在于与动量弛豫率或无序强度无关的普遍扩散过程。
• 只有当空间平移对称性被自发破缺时，布居峰才会从零频率发生偏移，这在非公度密度波态中会发生。
• 涨落密度波系统中的流体动力学输运可解释观测到的线性温度依赖的直流电阻率，而无需强散射或准粒子崩溃的假设。
• 坏金属的光学电导率数据，包括峰值位置与宽度，均可由电荷密度波序的短程量子临界涨落定量解释。
• 该框架不仅适用于电荷密度波，还具有普适性，暗示在具有涨落序的系统中，坏金属行为存在一种普遍机制。