On kiinteän olomuodon fysiikan , raskas fermioni materiaaleja, joita usein kutsutaan yksinkertaisesti " raskas fermioneja ", ovat erityinen luokka metalliyhdisteiden , jotka sisältävät atomeja , jossa on 4 f ( lantanidi ) tai 5 f ( aktinidien ) elektronit on epätäydellinen bändejä ja jotka ovat näin ollen kantajia paikallista magneettiset hetket . Nämä ovat esimerkiksi cerium , ytterbium tai uraanin kationeja ja joka 4f tai 5f elektroneja, jotka ovat peräisin osittain täytetty f orbitaalit , vuorovaikutuksessa elektronien kanssa ja johtuminen bändi metallien välisen muodostaen mukaan hybridisaatiolla. Kvasi-hiukkasia, joiden tehokas massa on huomattavasti suurempi kuin vapaiden elektronien. Tämä ilmiö on havaittu alla ominaisessa lämpötilassa kutsutaan johdonmukaisuus , jota merkitään T COH , ja yleensä suuruusluokkaa 10 K . Näiden metalliyhdisteiden johtavat elektronit käyttäytyvät sitten ikään kuin niiden tehollinen massa olisi jopa 1000 kertaa vapaan elektronin massa. Tästä seuraa tämän tyyppiselle aineelle annettu raskasfermionien nimi . Tämä korkea tehollinen massa vaikuttaa voimakkaasti raskaiden fermionien resistanssiin alhaisissa lämpötiloissa elektroni-elektroni sironnalla, joka johtuu tällaisten aineiden korkeasta Kadowaki-Woods- suhteesta. Näille materiaaleille on siten tunnusomaista lämpökapasiteetti alhaisessa lämpötilassa, jonka ensimmäisen asteen termi voi olla jopa 1000 kertaa suurempi kuin vapaan elektronin mallista johdettu arvo .
Raskas fermionin kaltaista käyttäytymistä on havaittu monissa eri vaiheissa, esimerkiksi metallisessa , suprajohtavassa , eristävässä ja magneettisessa . CeCu 6 -järjestelmät, CeAl 3, CeCu 2 Si 2, YbAl 3, UBe 13ja UPt 3 ovat tyypillisiä esimerkkejä raskasta fermionimateriaalista.
Raskaat fermionit ovat osa voimakkaasti korreloivia materiaaleja (in) . Monista niistä tulee suprajohteita kriittisen lämpötilan T c alapuolella ; tässä tapauksessa se on epätavallinen suprajohtavuus.
Korkeissa lämpötiloissa raskaat fermionit käyttäytyvät kuin normaalit metallit, ja niiden elektronit voidaan kuvata Fermi-kaasuksi , jossa elektronien katsotaan olevan vuorovaikutuksessa olevia fermioneja . Tässä tapauksessa johtamiselektronien ja f-elektronien vuorovaikutukset, joilla on paikallinen magneettinen momentti , voidaan jättää huomiotta.
Teoria Fermi nesteen ja Landau antaa hyvän mallin ominaisuuksia kuvaava useimpien raskaiden fermionit alhaisissa lämpötiloissa. Tässä teoriassa elektroneja kuvataan lähes hiukkasina, joilla on samat kvanttiluvut ja sama varaus, mutta joiden tehollinen massa johtuu elektronien välisten vuorovaikutusten huomioon ottamisesta, jolloin tämä tehokas massa eroaa vapaiden elektronien massasta.
Energian tasoilla raskaan fermioneja voidaan tutkia spektroskooppisesti vaihtelemalla aallonpituus on tapaus sähkömagneettisen säteilyn ja intensiteetin mittaamiseksi heijastuneen ja lähetetään näyte.
Tyypillisen koherenssilämpötilan, jota kutsutaan T kohiksi , yläpuolella raskaat fermionit käyttäytyvät kuin normaalit metallit , toisin sanoen niiden reaktio sähkömagneettisiin aaltoihin reagoi Druden malliin . Kuitenkin, ne eroavat hyvä metallien korkean diffuusion nopeus korkeassa lämpötilassa, koska suuri tiheys paikallinen magneettiset momentit - ainakin yksi f elektroneja kohti alkuaineen kidehilassa - jotka aiheuttavat Leviäminen Kondo vaikutus . Tästä seuraa, että johtavuus matalalla taajuudella ja tasavirralla on melko pieni. Johtokyvyn heikkeneminen havaitaan taajuudella, joka vastaa rentoutumisaikaa.
Koherenssilämpötilan T kohin alapuolella tapahtuu hybridisaatiota johtavien elektronien ja paikallisten f-elektronien välillä, joten näiden elektronien tehollinen massa kasvaa. Toisin kuin eristävä Kondo (en) , kemialliset potentiaaliset raskaat fermionit ovat johtumisalueella . Tällä on useita seurauksia raskaiden fermionien sähkömagneettiseen vasteeseen.
Johtavuus σ voidaan ilmaista taajuuden ω funktiona , jossa m * on tehollinen massa ja τ * renormalisoidun rentoutumisnopeuden . Efektiivisen massan kasvu johtaa renormalisoidun rentoutumisnopeuden kasvuun, mikä johtaa kapeammalle vierimiselle kuin normaaleille metalleille hyvin matalilla taajuuksilla. Alin raskaassa, matalataajuisessa fermionissa havaittu rentoutumisnopeus oli UPd 2 Al 3 -järjestelmässä. (sisään) .
Erityiset lämpökapasiteetti C P tavanomaisten metallien alhaisessa lämpötilassa koostuu tulevan osan elektronit ja merkitään C P, el , ja tulevan osan hilavärähtelyt , jota merkitään C- P, ph . Ensimmäinen riippuu lineaarisesti lämpötilasta T, kun taas toinen lämpötilan kuutiosta T 3 :
suhteellisuusvakioiden β ja γ kanssa, jälkimmäistä kutsutaan Sommerfeldin vakiona .
Matalassa lämpötilassa ominaislämpökapasiteetti johtuu pääasiassa sen elektronisesta jakeesta. Tämä voidaan arvioida käyttämällä Fermi-kaasun approksimaatiota seuraavasti:
jossa k B on Boltzmannin vakio , n elektronitiheys, ja ε F Fermi tasolla .
Lämpökapasiteetin ja lämpötehokkaan massan suhdeFermienergia ε F elektroneja, joiden dispersio potenssiin suhde on kääntäen verrannollinen massa m hiukkasen:
missä k F on Fermi- aaltoluku , joka riippuu elektronitiheydestä ja on korkeimman käytössä olevan energiatason aaltoluvun absoluuttinen arvo. Koska Sommerfeldin vakio y on kääntäen verrannollinen e F: ään , y on verrannollinen hiukkasen massaan, ja kun y on korkea, metalli käyttäytyy kuin vapaa elektronikaasumateriaali , jossa johtavien elektronien massa on korkea lämpötehokas.