[论文解读] Coexisting Fermi Liquid and Strange Metal Phenomena in Sr$_2$RuO$_4$

Ali Husain, Matteo Mitrano+7 more|arXiv (Cornell University)|Jul 13, 2020

Advanced Condensed Matter Physics被引用 4

一句话总结

本研究揭示，在同一温度下，Sr₂RuO₄ 同时表现出奇异金属和费米液体行为，其证据为非传播电荷涨落与色散集体模式共存。通过动量分辨电子能量损失谱（M-EELS），作者观察到系统在通过相干温度冷却时，谱权重重新分布和速度重正化，表明这两种奇异量子态可在单一量子材料中同时存在并相互作用。

ABSTRACT

The strange metal is an enigmatic phase whose properties are irreconcilable with the established Fermi liquid theory of conductors. A fundamental question is whether a strange metal and a Fermi liquid are distinct phases of matter, or whether a material can be intermediate between or in a superposition of the two. We studied the collective density response of the correlated metal Sr$_2$RuO$_4$ by momentum-resolved electron energy-loss spectroscopy (M-EELS). We discovered that a broad continuum of non-propagating charge fluctuations (a characteristic of strange metals) and also a dispersing Fermi liquid-like collective mode at low energies and long wavelengths coexist in the same material at the same temperature. These features exhibit a spectral weight redistribution and velocity renormalization when we cool the material through the quasiparticle coherence temperature. Our results show not only that strange metal and Fermi liquid phenomena can coexist but also that Sr$_2$RuO$_4$ serves as an ideal test case for studying the interaction between the two.

研究动机与目标

• 确定奇异金属与费米液体行为是否可在单一量子材料中同时存在。
• 研究关联金属 Sr₂RuO₄ 中集体电荷响应的性质。
• 考察谱权重与准粒子激发模式速度在准粒子相干温度附近的演化行为。
• 评估是否可在单一体系中探测奇异金属与费米液体特征之间的相互作用。

提出的方法

• 采用动量分辨电子能量损失谱（M-EELS）测量 Sr₂RuO₄ 中动量与能量依赖的集体密度响应。
• 在一系列温度下进行测量，涵盖准粒子相干温度之上与之下。
• 通过分析谱函数，识别出奇异金属特征的非传播电荷涨落。
• 在低能与长波长区域识别出具有色散关系的集体模式，作为费米液体特征。
• 量化系统在通过相干温度冷却过程中，谱权重重新分布与模式速度重正化现象。
• 在竞争或共存的量子临界与费米液体行为背景下解释实验数据。

实验结果

研究问题

• RQ1 奇异金属与费米液体现象是否可在同一材料的同一温度下共存？
• RQ2 在 Sr₂RuO₄ 中，集体电荷响应如何在准粒子相干温度附近演化？
• RQ3 所观测到的非传播电荷涨落的本质是什么？
• RQ4 谱权重与集体模式速度在通过相干温度冷却时如何变化？
• RQ5 Sr₂RuO₄ 是否可作为研究奇异金属与费米液体物理相互作用的模型体系？

主要发现

• 在与色散费米液体样集体模式相同的温度下，Sr₂RuO₄ 中观测到宽频带的非传播电荷涨落，这是奇异金属的典型特征。
• 费米液体样模式在低能与长波长区域表现出清晰的色散关系，表明存在相干准粒子行为。
• 当系统通过准粒子相干温度冷却时，谱权重在非传播涨落与色散模式之间发生重新分布。
• 系统穿过相干温度时，费米液体样模式的速度发生重正化。
• 这两种截然不同的响应特征在同一材料中共存，表明奇异金属与费米液体行为并非互斥。
• Sr₂RuO₄ 成为研究奇异金属与费米液体物理在单一量子系统中相互作用的独特平台。