[论文解读] Shot noise and universal Fano factor as characterization of strongly correlated metals

Yiming Wang, Chandan Setty+5 more|arXiv (Cornell University)|Nov 21, 2022

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用 8

一句话总结

本文首次对强关联扩散金属中的散粒噪声进行了理论研究，采用准粒子框架下的玻尔兹曼-朗之万方法。结果表明，在此类系统中，法诺因子普遍为 $ \frac{\sqrt{3}}{4} $，与准粒子权重或兰道参数无关。实验观测到在 YbRh₂Si₂ 中法诺因子低于该值，强烈表明准粒子图像在量子临界点附近发生破坏，标志着奇异金属行为的出现。

ABSTRACT

Shot noise measures out-of-equilibrium current fluctuations and is a powerful tool to probe the nature of current-carrying excitations in quantum systems. Recent shot noise measurements in the heavy fermion strange metal YbRh$_2$Si$_2$ exhibit a strong suppression of the Fano factor ($F$) -- the ratio of the current noise to the average current in the DC limit. This system is representative of metals in which electron correlations are extremely strong. Here we carry out the first theoretical study on the shot noise of diffusive metals in the regime of strong correlations. A Boltzmann-Langevin equation formulation is constructed in a quasiparticle description in the presence of strong correlations. We find that $F = \sqrt{ 3}/{4}$ in such a correlation regime. Thus, we establish the aforementioned Fano factor as universal to Fermi liquids, and show that the Fano factor suppression observed in experiments on YbRh$_2$Si$_2$ necessitates a loss of the quasiparticles. Our work opens the door to systematic theoretical studies of shot noise as a means of characterizing strongly correlated metallic phases and materials.

研究动机与目标

• 理论研究强关联电子效应下扩散金属中的散粒噪声，该区域准粒子描述预期会失效。
• 确定在强关联下，此类系统的法诺因子是否仍保持与常规费米液体相同的普遍性。
• 评估在 YbRh₂Si₂ 中实验观测到的法诺因子抑制是否可仅由强关联解释，或是否需要准粒子的破坏。
• 确立散粒噪声作为诊断量子临界金属中准粒子缺失的工具。

提出的方法

• 为强关联金属中的扩散输运构建玻尔兹曼-朗之万方程，包含准粒子动力学和随机噪声源。
• 对杂质散射采用弛豫时间近似，并将分布函数在动量空间分解为对称与反对称分量。
• 通过关联朗之万噪声源并积分动量空间，推导出电流噪声功率谱密度，利用关系式 $ \langle \delta J_{\alpha} \delta J_{\beta} \rangle \propto \delta_{\alpha\beta} \delta(t-t') \delta(x-x') $。
• 通过公式 $ F = S / (2eI) $ 计算法诺因子，其中 $ S $ 为散粒噪声功率，$ I $ 为平均电流，得出稳态下 $ F = \sqrt{3}/4 $。
• 在兰道准粒子框架下，引入重整化的准粒子权重与兰道参数，证明法诺因子与这些参数无关。
• 在零 bath 温度下施加电压偏置的非平衡条件下分析系统，将散粒噪声与热贡献分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 在强关联扩散金属中，尽管存在强电子关联，法诺因子是否仍保持为 $ \sqrt{3}/4 $，如同在常规费米液体中一样？
• RQ2 在 YbRh₂Si₂ 中观测到的法诺因子抑制是否可在准粒子框架内解释，还是需要准粒子相干性的破坏？
• RQ3 散粒噪声是否可作为可靠探针，用于检测量子临界金属中准粒子的缺失？
• RQ4 强关联效应，包括大的准粒子权重重整化与大的兰道参数，如何影响扩散输运中的法诺因子？

主要发现

• 在强关联扩散金属中，散粒噪声的法诺因子普遍为 $ \sqrt{3}/4 $，与准粒子权重或兰道参数无关。
• 即使在准粒子权重趋于无穷小或兰道参数极大的极限下，该结果依然成立，表明该预测在准粒子框架内具有鲁棒性。
• 实验观测到的 YbRh₂Si₂ 中法诺因子低于 $ \sqrt{3}/4 $ 的抑制现象，无法仅通过强关联在准粒子图像下解释。
• 该抑制强烈表明准粒子相干性丧失，指向在此重费米子奇异金属中兰道-费米液体描述的破坏。
• 散粒噪声成为识别强关联金属中非准粒子行为的有力且普遍的探针。
• 该理论框架为利用散粒噪声表征超越费米液体范式的金属相提供了系统性基础。