[论文解读] Electrical and Thermal Transport at the Planckian Bound of Dissipation in the Hydrodynamic Electron Fluid of WP2

Johannes Gooth, Fabian Menges+8 more|arXiv (Cornell University)|Jun 19, 2017

Quantum and electron transport phenomena参考文献 40被引用 69

一句话总结

本文报道 WP2 中的电子水力流动，展示动量与热能的普朗克限耗散，以及在 Weyl 半金属中违反 Wiedemann–Franz 定律。

ABSTRACT

Materials with strongly-correlated electrons exhibit interesting phenomena such as metal-insulator transitions and high-temperature superconductivity. In stark contrast to ordinary metals, electron transport in these materials is thought to resemble the flow of viscous fluids. Despite their differences, it is predicted that transport in both, conventional and correlated materials, is fundamentally limited by the uncertainty principle applied to energy dissipation. Here we discover hydrodynamic electron flow in the Weyl-semimetal tungsten phosphide (WP2). Using thermal and magneto-electric transport experiments, we observe the transition from a conventional metallic state, at higher temperatures, to a hydrodynamic electron fluid below 20 K. The hydrodynamic regime is characterized by a viscosity-induced dependence of the electrical resistivity on the square of the channel width, and by the observation of a strong violation of the Wiedemann-Franz law. From magneto-hydrodynamic experiments and complementary Hall measurements, the relaxation times for momentum and thermal energy dissipating processes are extracted. Following the uncertainty principle, both are limited by the Planckian bound of dissipation, independent of the underlying transport regime.

研究动机与目标

• 在强关联的 Weyl 半金属材料 (WP2) 中，推动并识别电子水力流动。
• 使用热测量和磁电测量表征在 ~20 K 以下从传统金属传输到水力传输的转变。
• 提取动量和热能耗散弛豫时间，并检验它们与 Planckian 界限的关系。
• 展示粘滞和水力学如何改变电输运和热输运性质。

提出的方法

• 在 WP2 上进行覆盖不同温度范围的热输运和磁电输运实验。
• 分析电阻率随通道宽度的依赖性以识别粘滞引起的效应。
• 在水力传输的区域测量 Wiedemann–Franz 关系以检测违反。
• 使用磁流体力学和霍尔测量来提取动量和热耗散的弛豫时间。
• 将弛豫时间与耗散的 Planckian 界限进行比较，作为耗散极限的基准。

实验结果

研究问题

• RQ1 随着温度降至 ~20 K 以下，WP2 是否出现电子水力流动？
• RQ2 粘滞和水力效应如何改变电阻率以及通道宽度的标度？
• RQ3 动量和热耗散弛豫时间是否被 Planckian 界限限制且与传输体系无关？
• RQ4 在水力区域对 Wiedemann–Franz 定律被违反到何种程度？

主要发现

• 在 WP2 中低于 ~20 K 时辨识出电子水力流体。
• 观察到粘滞引起的电阻率随通道宽度平方的依赖性。
• 在水力区域对 Wiedemann–Franz 定律的强烈违反。
• 从磁流体力学和霍尔数据中提取动量和热耗散的弛豫时间。
• 有证据表明两种弛豫时间均受耗散的 Planckian 界限限制，与不确定性原理一致。
• 结果将水力传输与跨传输区域的基本耗散极限联系起来。