Shear viscosity in interacting two-dimensional Fermi liquids
Abstract: In interaction-dominated two-dimensional electron gases at intermediate temperatures, electron transport is not diffusive as in the conventional Drude picture but instead hydrodynamic. The relevant transport coefficient in this regime is the shear viscosity. Here, we develop a numerically exact basis expansion to solve the Fermi liquid equation, and apply it to compute the shear viscosity of the electron gas with screened Coulomb interactions. Our calculations are valid at all temperatures and in particular describe the response beyond the asymptotic low-temperature limit, where perturbative approaches exist. We show that even in this low-temperature limit, there is a nonanalytic exchange contribution to the shear viscosity, highlighting the need for a full nonperturbative solution of the Fermi liquid equation. We hope that the techniques developed in this work will serve as a platform to determine the response of interacting Fermi liquids.
- N. W. Ashcroft and N. D. Mermin, Solid State Physics (Holt, Rinehard and Winston (New York), 1976).
- S. M. Girvin and K. Yang, Modern Condensed Matter Physics (Cambridge University Press (Cambridge), 2019).
- M. J. M. de Jong and L. W. Molenkamp, Phys. Rev. B 51, 13389 (1995).
- H. Buhmann and L. Molenkamp, Physica E 12, 715 (2002).
- D. S. Novikov, Viscosity of a two-dimensional Fermi liquid (2006), arXiv:cond-mat/0603184 .
- P. S. Alekseev and A. P. Dmitriev, Phys. Rev. B 102, 241409 (2020).
- A. A. Abrikosov and I. M. Khalatnikov, JETP 5, 887 (1957).
- A. A. Abrikosov and I. M. Khalatnikov, Reports on Progress in Physics 22, 329 (1959).
- H. Smith and H. H. Jensen, Transport Phenomena (Clarendon Press (Oxford), 1989).
- S. Conti and G. Vignale, Phys. Rev. B 60, 7966 (1999).
- M. Müller, J. Schmalian, and L. Fritz, Phys. Rev. Lett. 103, 025301 (2009).
- E. I. Kiselev and J. Schmalian, Phys. Rev. Lett. 123, 195302 (2019).
- J. Hofmann and U. Gran, arXiv:2210.16300 (2022).
- G. F. Giuliani and G. Vignale, Quantum Theory of the Electron Liquid (Cambridge University Press (Cambridge), 2005).
- J. A. McLennan, Introduction to Nonequilibrium Statistical Mechanics (Prentice Hall (New Jersey), 1989).
- J. Hofmann and S. Das Sarma, Phys. Rev. B 106, 205412 (2022).
- T. Hahn, Computer Physics Communications 168, 78 (2005).
- J. Hofmann, M. Barth, and W. Zwerger, Phys. Rev. B 87, 235125 (2013).
- N. Pakhira and R. H. McKenzie, Phys. Rev. B 92, 125103 (2015).
- D. Forster, Hydrodynamic Fluctations, Broken Symmetry and Correlation Functions (W. A. Benjamin, 1975).
- P. K. Kovtun, D. T. Son, and A. O. Starinets, Phys. Rev. Lett. 94, 111601 (2005).
- U. Heinz and R. Snellings, Annual Review of Nuclear and Particle Science 63, 123 (2013).
- P. Danielewicz and M. Gyulassy, Phys. Rev. D 31, 53 (1985).
- T. Schäfer, Annual Review of Nuclear and Particle Science 64, 125 (2014).
- G. F. Giuliani and J. J. Quinn, Phys. Rev. B 26, 4421 (1982).
- Y. Liao and V. Galitski, Phys. Rev. B 101, 195106 (2020).
- D. Zverevich and A. Levchenko, Transport signatures of plasmon fluctuations in electron hydrodynamics (2023), arXiv:2306.13534 .
Paper Prompts
Sign up for free to create and run prompts on this paper using GPT-5.
Top Community Prompts
Collections
Sign up for free to add this paper to one or more collections.
