[论文解读] Imaging phonon-mediated hydrodynamic flow in WTe2 with cryogenic quantum magnetometry

Uri Vool, Assaf Hamo+13 more|arXiv (Cornell University)|Sep 9, 2020

Electronic and Structural Properties of Oxides被引用 21

一句话总结

本研究利用低温氮-vacancy (NV)磁力测量技术，对WTe2中的流体电子流进行成像，揭示了在约20 K时出现非单调温度依赖性，且流体行为达到峰值。实验结果经从头算计算和玻尔兹曼输运建模验证，表明WTe2中电子-电子相互作用主要由声子介导，为高载流子密度半金属中声子介导的流体动力学提供了直接证据。

ABSTRACT

In the presence of strong interactions, electrons in condensed matter systems can behave hydrodynamically thereby exhibiting classical fluid phenomena such as vortices and Poiseuille flow. While in most conductors large screening effects minimize electron-electron interactions, hindering the search for possible hydrodynamic candidate materials, a new class of semimetals has recently been reported to exhibit strong interactions. In this work, we study the current flow in the layered semimetal tungsten ditelluride (WTe2) by imaging the local magnetic field above it using a nitrogen-vacancy (NV) defect in diamond. Our cryogenic scanning magnetometry system allows for temperature-resolved measurement with high sensitivity enabled by the long defect spin coherence. We directly measure the spatial current profile within WTe2 and find it differs substantially from the uniform profile of a Fermi liquid, indicating hydrodynamic flow. Furthermore, our temperature-resolved current profile measurements reveal an unexpected non-monotonic temperature dependence, with hydrodynamic effects strongest at ~20 K. We further elucidate this behavior via ab initio calculations of electron scattering mechanisms, which are used to extract a current profile using the electronic Boltzmann transport equation. These calculations show quantitative agreement with our measurements, capturing the non-monotonic temperature dependence. The combination of experimental and theoretical observations allows us to quantitatively infer the strength of electron-electron interactions in WTe2. We show these strong electron interactions cannot be explained by Coulomb repulsion alone and are predominantly phonon-mediated. This provides a promising avenue in the search for hydrodynamic flow and strong interactions in high carrier density materials.

研究动机与目标

• 研究层状半金属WTe2中的流体电子流，该材料是强电子-电子相互作用的候选材料。
• 解析WTe2中流体行为的温度依赖性，特别是实验中观察到的非单调趋势。
• 确定WTe2中强电子相互作用的微观起源，区分库仑排斥与声子介导机制。
• 通过玻尔兹曼输运方程，将实验测得的磁场成像与电子输运理论进行定量关联。

提出的方法

• 采用低温扫描NV磁力测量系统，以高空间分辨率和温度分辨率测绘WTe2表面的局部磁场。
• 利用金刚石中NV中心的长自旋退相干时间，实现在低温下的高磁场灵敏度。
• 通过样品上方的磁场分布测量空间电流分布，以反映其下的电流流动行为。
• 进行电子散射机制的从头算计算，以模拟电子-电子和电子-声子相互作用。
• 利用计算得到的散射速率求解电子玻尔兹曼输运方程，预测电流分布。
• 将理论电流分布与实验测量结果进行对比，以验证声子介导相互作用模型。

实验结果

研究问题

• RQ1 WTe2是否表现出流体电子流，如非均匀电流分布所示？
• RQ2 为何WTe2中的流体行为表现出非单调温度依赖性，且在约20 K时达到最大值？
• RQ3 WTe2中强电子-电子相互作用主要源于库仑排斥还是声子介导过程？
• RQ4 从头算计算的散射机制能否定量再现WTe2中观测到的电流分布？
• RQ5 电子-声子散射在WTe2中观测到的流体输运中相对贡献如何？

主要发现

• WTe2中测得的电流分布与费米液体预期的均匀分布显著偏离，证实了流体流动的存在。
• 流体效应在约20 K时最强，表现出非单调温度依赖性。
• 从头算计算的电子散射机制可定量再现实验测得的电流分布。
• 理论与实验的一致性表明，WTe2中电子-电子相互作用主要由声子介导，而非纯粹由库仑作用驱动。
• 本研究为高载流子密度半金属中声子介导的流体动力学提供了直接的实验与理论证据。
• 研究结果确立了WTe2作为研究二维材料中强电子相互作用与流体输运的有前途平台。