[论文解读] Universal theory of strange metals from spatially random interactions

Aavishkar A. Patel, Haoyu Guo+2 more|arXiv (Cornell University)|Mar 9, 2022

Theoretical and Computational Physics参考文献 48被引用 6

一句话总结

该论文提出，在二维量子临界金属中，空间随机的费米子-标量 Yukawa 耦合通过大-N 理论普遍产生奇异金属行为，包括线性于 T 的电阻率和普朗克时间尺度的散射。尽管均匀耦合主导自能，但随机相互作用主导输运，导致 T 线性电阻率、T ln(1/T) 的比热以及鲁棒的普朗克时间尺度弛豫。

ABSTRACT

We consider two-dimensional metals of fermions coupled to quantum critical scalars, the latter representing order parameters or emergent gauge fields. We show that at low temperatures ($T$), such metals generically exhibit strange metal behavior with a $T$-linear resistivity arising from spatially random fluctuations in the fermion-scalar Yukawa couplings about a non-zero spatial average. We also find a $T\ln (1/T)$ specific heat, and a rationale for the Planckian bound on the transport scattering time. These results are obtained in the large $N$ expansion of an ensemble of critical metals.

研究动机与目标

• 为关联电子系统中奇异金属行为的长期谜题提供解释，特别是 T 线性电阻率与普朗克时间尺度散射时间。
• 识别一种普遍的微观机制——空间随机 Yukawa 耦合——能够跨多种量子临界金属产生奇异金属的唯象行为。
• 解释为何洁净的量子临界金属即使具有强电子-玻色子耦合也无法产生奇异金属输运。
• 证明在 Yukawa 耦合中的空间无序，而非均匀耦合，主导输运，导致普遍的输运标度行为。

提出的方法

• 构建二维费米子通过 Yukawa 相互作用耦合至量子临界标量场的大-N 场论，其中耦合具有空间随机性。
• 利用大-N 展开系统重求和自能与顶点修正，聚焦于鞍点有效作用量。
• 在 Yukawa 耦合 (g') 和标量质量 (m_b) 中引入空间无序，通过具有高斯分布耦合的淬火无序模型化。
• 变换至标量场的本征模式，将无序吸收至重整化耦合中，表明 K 中的空间无序是无关的。
• 在大-N 极限下使用 Eliashberg 类方程计算费米子自能与输运散射率。
• 分析电阻率、比热与散射率的标度行为，识别普朗克界限为随机耦合涨落的结果。

实验结果

研究问题

• RQ1 在量子临界金属中，空间随机 Yukawa 耦合能否解释奇异金属中观察到的普遍 T 线性电阻率？
• RQ2 为何量子临界金属的洁净极限无法产生奇异金属输运，即使耦合很强？
• RQ3 为何 Yukawa 耦合的随机涨落主导输运，而均匀耦合主导自能？
• RQ4 在此无序量子临界框架中，T ln(1/T) 比热与普朗克时间尺度散射时间的起源是什么？
• RQ5 该机制是否在不同类型的量子临界序参量或分数化激发中具有普适性？

主要发现

• 空间随机 Yukawa 耦合在二维量子临界金属中产生 T 线性电阻率，即使均匀耦合主导自能。
• 该理论预测比热呈现 T ln(1/T) 标度，与奇异金属中观察到的异常增强一致。
• 由于随机散射过程占主导，输运散射时间达到普朗克界限，τ ∼ ℏ/(k_B T)。
• 费米子自能表现出边缘费米液体行为，与量子临界金属的角分辨光电子能谱数据一致。
• 标量质量 (m_b) 或 Yukawa 耦合 (g') 中的无序具有强相关性，可被吸收进重整化耦合而不改变普遍输运标度。
• 由于 Yukawa 顶点处动量不守恒，该机制在不同类型的序参量（零动量或非零动量）及多重费米面中均具有普适性。