[논문 리뷰] Solvable Theory of a Strange Metal at the Breakdown of a Heavy Fermi Liquid

Erik Aldape, Tessa Cookmeyer외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 01.

Rare-earth and actinide compounds참고 문헌 62인용 수 60

한 줄 요약

이 논문은 헤비 페르미온 시스템에서의 양자临계점에 대한 해석 가능한 대규모 N 이론을 제안한다. N개의 페르미온 플레이버와 αN개의 보존 플레이버를 가진 코니 락스 모형은 강한 결합 임계성을 비추상적으로 제어할 수 있게 한다. 이 이론은 새로운 대규모 N 근사에 의해 페르미온과 보존 간의 자기일관된 피드백을 포함함으로써, 경계 없는 페르미 액체 행동과 플랑크 상수 기반 τtr ∼ ℏ/(kBT)의 운반 능력을 실현하며, 전이 근처에서 T선형 저항성과 홀 계수의 피크를 나타내어 최근 CeCoIn5에서의 실험 결과와 일치시킨다.

ABSTRACT

We introduce an effective theory for quantum critical points (QCPs) in heavy fermion systems, involving a change in carrier density without symmetry breaking. Our new theory captures a strongly coupled metallic QCP, leading to robust marginal Fermi liquid transport phenomenology, and associated linear in temperature ($T$) "strange metal" resistivity, all within a controlled large $N$ limit. In the parameter regime of strong damping of emergent bosonic excitations, the QCP also displays a near-universal "Planckian" transport lifetime, $ au_{\mathrm{tr}}\sim\hbar/(k_BT)$. This is contrasted with the conventional so-called "slave boson" theory of the Kondo breakdown, where the large $N$ limit describes a weak coupling fixed point and non-trivial transport behavior may only be obtained through uncontrolled $1/N$ corrections. We also compute the weak-field Hall coefficient within the effective model as the system is tuned across the transition. We further find that between the two plateaus, reflecting the different carrier densities in the two Fermi liquid phases, the Hall coefficient can develop a peak in the critical crossover regime, like in recent experimental findings, in the parameter regime of weak boson damping.

연구 동기 및 목표

• 헤비 페르미온 물질에서 강한 결합 임계점을 포괄하지 못하는 기존의 대규모 N 접근법의 실패를 해결하기 위해.
• CeCoIn5와 같은 양자임계점 헤비 페르미온 시스템에서 관측된 광범위한 T선형 저항성('이상 금속' 행동)을 설명하기 위해.
• 최근 실험에서 관측된 임계점 근처에서 홀 계수의 피크를 설명하기 위해.
• 자기일관된 피드백을 포함하는 제어 가능한 대규모 N 근사를 개발하여 강한 결합을 비추상적으로 다룰 수 있도록 하기 위해.
• 양자임계점에서 근우주적 플랑크 상수 기반 산란 시간 τtr ∼ ℏ/(kBT)를 재현하기 위해.

제안 방법

• 페르미온(N)과 보존(αN) 플레이버가 모두 N에 따라 스케일링되는 새로운 대규모 N 근사를 도입하여, 페르미온과 보존 간의 자기일관된 피드백을 가능하게 한다.
• 지역화된 f-전자를 위한 아브리코소프 페르미온과 복소수 U(1) 게이지 불변 보존 b를 사용하여 코니 락스 모형을 수립한다.
• 두 모델을 구현한다: 공간적으로 무질서한 결합을 가진 모델 I과 플레이버 무질서지만 전이 대칭성을 유지하는 모델 II.
• 대규모 N 근사에서 사다리 근사(approximation)를 사용하여 자가에너지와 운반 성질을 비추상적으로 계산한다.
• 임계점에서 지배적인 기여를 하는 도전 전자 버블 다이어그램을 통해 전도도 텐서를 계산한다.
• 운반자 밀도의 변화와 임계 증폭을 탐지하기 위해 전이 전후의 홀 계수 RH를 평가한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 해석 가능한 대규모 N 이론이 헤비 페르미온 시스템의 양자임계점에서 관측된 경계 없는 페르미 액체 현상학과 T선형 저항성을 포괄할 수 있는가?
• RQ2 새로운 대규모 N 근사가 양자임계점에서 플랑크 상수 기반 산란 시간 τtr ∼ ℏ/(kBT)를 도출하는가, 이는 우주적 양자임계 행동과 일치하는가?
• RQ3 이 모형은 실험적으로 관측된 임계점 근처에서의 홀 계수 피크를 재현할 수 있는가, 이는 대칭성 붕괴 없이 운반자 밀도의 변화를 시사하는가?
• RQ4 비임계 보존의 강한 감쇠와 약한 감쇠 간의 상호작용이 운반 및 홀 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 탈구속화(예: 층상 구조 대 비 3차원 FL⋆ 상)는 임계 운반 성질의 성격을 결정하는 데 어떤 역할을 하는가?

주요 결과

• 모델 I과 모델 II 모두에서 양자임계점에서 T선형 저항성 ρxx(T) ∼ T를 달성하며, 로그 보정이 수반된다.
• 강한 감쇠 영역에서 운반 수명은 플랑크 상수 경계 τtr ≈ ℏ/(kBT)에 도달하여 우주적 양자임계 행동과 일치한다.
• 약한 감쇠 영역(모델 II)에서 홀 계수 RH는 임계 전이 근처에서 피크를 나타내며, 최근 CeCoIn5 실험 결과와 일치한다.
• RH의 피크는 무거운 페르미 액체와 3차원 분수형 페르미 액체(FL⋆) 상 사이의 운반자 밀도 변화에서 기인한다.
• 페르미온 자가에너지가 고온에서 경계 없는 페르미 액체 주파수 의존성 Σ ∼ −iγ²mbT/ω를 보이며, 이는 약한 감쇠 영역에서 ρxx ∼ √T(로그 보정까지 포함)로 이어진다.
• 임계점에서 도전 전자 버블 다이어그램이 전도도 텐서에 지배적인 기여를 하며, f-페르미온과 보존의 기여는 낮은 보존 전도도로 인해 억제된다.