Ve fyzice pevných látek jsou těžké fermionové materiály, často označované jednoduše jako „ těžké fermiony “, speciální třídou intermetaliky obsahující atomy mající 4 f ( lanthanid ) nebo 5 f ( aktinid ) elektrony v neúplných pásmech a které jsou následně nosiči lokalizovaných magnetické momenty . Jsou to například kationty z cer , ze ytterbium nebo uranu, včetně 4F nebo 5F elektrony, pochází.Částečně naplněné f orbitaly interagují s elektrony vodivého pásma intermetalického kovu a tvoří se hybridizací kvazi-částic, jejichž účinná hmotnost je znatelně větší než u volných elektronů. Tento jev je pozorován pod charakteristickou teplotou názvem konzistence , označené T COH , a obecně řádově 10 K . Vodivé elektrony těchto sloučenin kovů se potom chovají, jako by měly efektivní hmotnost až 1000krát větší než hmotnost volného elektronu. Z toho pochází název těžkých fermionů daných tomuto typu látky. Tato vysoce účinná hmota významně přispívá k odolnosti těžkých fermionů při nízkých teplotách rozptylem elektronů a elektronů díky vysokému poměru Kadowaki-Woods těchto látek. Tyto materiály se tedy vyznačují tepelnou kapacitou při nízké teplotě, jejíž první stupeň může být až 1000krát vyšší než hodnota odvozená z modelu volného elektronu .
Těžké chování podobné fermionům bylo pozorováno v široké škále fází, například kovové , supravodivé , izolační a magnetické . Systémy CeCu 6, CeAl 3, CeCu 2 Si 2, YbAl 3, UBe 13a UPt 3 jsou typickými příklady těžkých fermionových materiálů.
Těžké fermiony jsou součástí silně korelovaných materiálů (in) . Některé z nich se stávají supravodiči pod kritickou teplotou T c ; v tomto případě jde o nekonvenční supravodivost.
Při zvýšené teplotě se těžké fermiony chovají jako normální kovy a jejich elektrony lze popsat jako plyn Fermi, ve kterém jsou elektrony považovány za neinteragující fermiony . V tomto případě lze zanedbávat interakce mezi vodivými elektrony a elektrony f, které vykazují lokalizovaný magnetický moment .
Teorie kapaliny Fermi z Landau poskytuje dobrý model popisující vlastnosti většiny těžkých fermionů při nízkých teplotách. V této teorii jsou elektrony popsány jako kvazi-částice, které sdílejí stejná kvantová čísla a stejný náboj, ale s efektivní hmotou, která je výsledkem uvažování interakcí mezi elektrony, přičemž tato účinná hmotnost je odlišná od hmotnosti volných elektronů.
Úrovně energie v těžkých fermions lze studovat spektroskopicky změnou vlnové délky z dopadajícího elektromagnetického záření a měření intenzity odraženého a přenášeného vzorku.
Nad charakteristickou teplotou koherence, označovanou jako T coh , se těžké fermiony chovají jako normální kovy , tj. Jejich reakce na elektromagnetické vlny reaguje na Drudeův model . Liší se však od dobrých kovů vysokou rychlostí difúze při vysoké teplotě v důsledku vysoké hustoty lokalizovaných magnetických momentů - alespoň jednoho f elektronu na elementární krystalovou mřížku - které způsobují difúzi Kondo efektem . Z toho vyplývá, že vodivost při nízké frekvenci a pro stejnosměrný proud je poměrně nízká. Srážení vodivosti je pozorováno na frekvenci odpovídající době relaxace.
Pod teplotou koherence T coh dochází k hybridizaci mezi vodivými elektrony a lokalizovanými f elektrony, a proto se zvyšuje efektivní hmotnost těchto elektronů. Na rozdíl od izolačního Kondo (en) je chemický potenciál těžkých fermionů ve vodivém pásmu . To má několik důsledků na elektromagnetickou odezvu těžkých fermionů.
Vodivost σ lze vyjádřit jako funkci frekvence ω o , kde m * je efektivní hmotnost a τ * renormalizovaná rychlost relaxace . Zvýšení účinné hmoty vede ke zvýšení renormalizované relaxační rychlosti, což vede k užšímu odvalení než u normálních kovů při velmi nízkých frekvencích. Nejnižší relaxační rychlost pozorovaná u těžkého nízkofrekvenčního fermionu byla pozorována v systému UPd 2 Al 3. (v) .
Specifická tepelná kapacita C P konvenčních kovů při nízké teplotě se skládá z části pocházející z elektronů a označené C P, el a části pocházející z fononů , označené C P, ph . První závisí lineárně na teplotě T, zatímco druhý závisí na krychli T 3 teploty:
s konstantami proporcionality β a γ, druhé se nazývá Sommerfeldova konstanta .
Při nízké teplotě pochází měrná tepelná kapacita hlavně z jeho elektronické frakce. To lze odhadnout pomocí aproximace plynu Fermi pomocí:
kde k B je Boltzmannova konstanta , n hustota elektronu, a ε F úroveň Fermiho .
Vztah mezi tepelnou kapacitou a tepelně efektivní hmotouThe Fermiho energie e F elektronů, které mají disperze čtvercový vztah je nepřímo úměrná hmotnosti m částice:
kde k F je Fermiho vlnové číslo , které závisí na hustotě elektronů a je absolutní hodnotou vlnového čísla nejvyšší energie obsazené energetické úrovně. Protože Sommerfeldova konstanta γ je nepřímo úměrná ε F , γ je úměrná hmotnosti částice, a když je γ vysoká, kov se chová jako materiál volného elektronového plynu, ve kterém mají vodivé elektrony hmotnostně vysokou tepelnou účinnost.