Transport and Collective Dynamics in Fermi and Non-Fermi Liquids
Doktorsavhandling, 2026

Modern quantum materials host a wide range of electronic phases in which transport properties are governed by strong interactions and collective effects. This thesis investigates charge, heat, and momentum transport in interacting electronic systems across different theoretical frameworks, ranging from Fermi liquid theory to strongly coupled strange metals.

The first part of the thesis focuses on two-dimensional Fermi liquids at finite temperature, where rapid electron-electron scattering can give rise to hydrodynamic behavior. A kinetic-theory framework allowing an exact treatment of quasiparticle distribution functions beyond the asymptotic low-temperature regime is used to compute the full spectrum of collective modes, providing a detailed characterization of long-lived odd-parity excitations and the intermediate transport regime between ballistic and hydrodynamic flow. The same framework is employed to determine the shear viscosity of interacting electron liquids beyond conventional perturbative limits.

The second part of the thesis concerns strongly interacting quantum systems where the quasiparticle picture breaks down.
Holographic duality is used to study transport and thermoelectric response in quantum critical systems subject to periodic potentials, providing a controlled framework for momentum relaxation and magnetotransport in non-Fermi liquids. The thesis further develops holographic models of collective charge dynamics in systems with dynamical electromagnetism, including bulk plasmons and surface plasmon polaritons, and explores connections between Fermi surface physics and holographic gauge-field dynamics.

hydrodynamics

holography

surface plasmon polaritons

electron transport

strange metals

kinetic theory

plasmons

non-Fermi liquids

PJ-salen
Opponent: Associate Professor Richard Davison, Heriot-Watt University, United Kingdom

Författare

Eric Nilsson

Subatomär, högenergi- och plasmafysik 1

Nonequilibrium Relaxation and Odd-Even Effect in Finite-Temperature Electron Gases

Physical Review X,;Vol. 15(2025)

Artikel i vetenskaplig tidskrift

Ulf Gran, Eric Nilsson and Johannes Hofmann, Shear viscosity in interacting two-dimensional Fermi liquids

Eric Nilsson and Koenraad Schalm, Quantum critical theories in a periodic potential: strange metallic thermoelectric and magnetotransport

Eric Nilsson and Ulf Gran, Holographic electrodynamics: surface plasmon polaritons

Eli Ismailov, Ulf Gran and Eric Nilsson, Plasmons in holographic ersatz Fermi Liquids

Från elektronvätskor till svarta hål

Den kondenserade materiens fysik försöker förstå hur de enorma mängder partiklar som bygger upp ett material tillsammans ger upphov till dess egenskaper. I vanliga metaller kan detta ofta beskrivas genom att studera hur en typisk ledningselektron växelverkar med joner, andra elektroner och orenheter i materialet.

Det finns dock situationer där denna bild inte räcker till. Den ena delen av denna avhandling handlar om mycket rena, tvådimensionella material, där elektronerna kan börja bete sig som en vätska. Elektronernas kollektiva beteende i denna hydrodynamiska regim leder till ovanliga transportfenomen. Genom matematiska modeller har jag studerat hur tvådimensionella elektronvätskor beter sig över ett brett spann av temperaturer, och undersökt transportregimer mellan vanlig elektrontransport och fullt utvecklad elektronhydrodynamik.

Den andra delen handlar om kvantmaterial där elektronerna växelverkar så starkt att beskrivningen i termer av enskilda partiklar faller samman. Genom en matematisk dualitet kan vissa egenskaper hos sådana system i stället studeras med hjälp av svarta hål i högre dimensioner. Jag har undersökt hur det kollektiva laddningsbeteendet kan beskrivas i sådana teorier, samt analyserat hur elektrisk och termisk transport påverkas av magnetfält och kraftiga periodiska variationer i materialet.

Ämneskategorier (SSIF 2025)

Atom- och molekylfysik och optik

Den kondenserade materiens fysik

Annan fysik

Styrkeområden

Nanovetenskap och nanoteknik

Fundament

Grundläggande vetenskaper

DOI

10.63959/chalmers.dt/5874

ISBN

978-91-8103-417-2

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 5874

Utgivare

Chalmers

PJ-salen

Opponent: Associate Professor Richard Davison, Heriot-Watt University, United Kingdom

Mer information

Senast uppdaterat

2026-05-26