[论文解读] Planckian Dissipation in Metals

Sean A. Hartnoll, A. P. Mackenzie|arXiv (Cornell University)|Jul 16, 2021

Quantum, superfluid, helium dynamics参考文献 183被引用 22

一句话总结

本文综述了金属中的庞加莱耗散，提出庞加莱时间尺度 τ_Pl = ℏ/(k_B T) 决定了常规和非常规金属中的非弹性散射。它识别出两种机制——电子-声子散射和量子临界性——导致电阻率随温度线性变化，并主张耗散存在一个根本性的上限，该上限基于热化时间尺度和熵约束。

ABSTRACT

We review the appearance of the Planckian time $τ_ ext{Pl} = \hbar/(k_B T)$ in both conventional and unconventional metals. We give a pedagogical discussion of the various different timescales (quasiparticle, transport, many-body) that characterize metals, emphasizing conditions under which these times are the same or different. Throughout, we have attempted to clear up aspects of the problem that had been confusing us, in the hope that this helps the reader as well. We discuss the possibility of a Planckian bound on dissipation from both a quasiparticle and a many-body perspective. Planckian quasiparticles can arise naturally from a combination of inelastic scattering and mass renormalization. Many-body dynamics, on the other hand, is constrained by the basic time- and length- scales of local thermalization.

研究动机与目标

• 阐明庞加莱时间尺度 τ_Pl = ℏ/(k_B T) 在常规和非常规金属中电子动力学中的作用。
• 区分准粒子与多体起源的庞加莱行为，特别是在输运和热化背景下的表现。
• 评估是否存在耗散的普遍庞加莱上限，若存在，其背后的物理原理可能是什么。
• 解决长期以来关于时间尺度（准粒子、输运、弛豫）及其在金属中相互作用的混淆。
• 激发未来针对庞加莱动力学的光谱学和输运探测的实验与理论研究。

提出的方法

• 将庞加莱时间尺度 τ_Pl = ℏ/(k_B T) 分析为金属中弛豫时间的基本量子极限。
• 将电子-声子散射和边缘费米液体理论中的准粒子寿命与 τ_Pl 进行比较，表明两者均可导致温度线性散射。
• 利用德鲁德分析和有效质量重正化，将电阻率与 τ_Pl 在常规金属中联系起来。
• 研究量子李亚普诺夫指数和蝴蝶速度，作为混沌多体动力学和热化的探测工具。
• 应用不确定度原理和涨落界限，约束热态中的弛豫时间和长度。
• 提出一种多体“自举”程序，以推导动力学的界限，灵感来源于临界系统中的界限。

实验结果

研究问题

• RQ1 庞加莱时间尺度 τ_Pl = ℏ/(k_B T) 是否可作为金属中非弹性弛豫时间的普遍下限？
• RQ2 电子-声子散射和量子临界性各自如何贡献于温度线性电阻率和庞加莱散射？
• RQ3 为何在 T=0 时由于无序散射导致准粒子描述失效，这与庞加莱界限有何关联？
• RQ4 热态中弛豫时间和长度的基本约束是什么，它们与庞加莱耗散有何关系？
• RQ5 基于熵产生率的变分原理能否解释耗散时间尺度为何会饱和于庞加莱界限？

主要发现

• 通过光学、角分辨光电子能谱和直流输运测量，庞加莱时间尺度 τ_Pl = ℏ/(k_B T) 在铜氧化物奇异金属中被观测到，表明存在一个普遍的弛豫速率。
• 电子-声子散射仅在特征声子温度 T_ph 以上可表现出庞加莱行为，且无法解释 T=0 时的温度线性电阻率。
• 在边缘费米液体中，庞加莱准粒子寿命源于非弹性散射和质量重正化，与温度线性电阻率一致。
• 由无序散射引起的 T=0 时剩余电阻率违反了庞加莱界限，表明该界限仅适用于非弹性、热化过程。
• 热化时间尺度和涨落界限表明，弛豫不可能快于 τ_Pl，支持耗散存在根本性限制。
• 庞加莱界限可能源于熵约束和热态结构，与输运理论中变分原理存在潜在联系。