Fermion lourd

En physique du solide, les matériaux à fermions lourds, souvent appelés simplement « fermions lourds », sont une classe particulière d'intermétalliques contenant des atomes ayant des électrons 4f (lanthanides) ou 5f (actinides) dans des bandes incomplètes et qui sont par conséquent porteurs de moments magnétiques localisés. Il s'agit par exemple de cations de cérium, d'ytterbium ou d'uranium dont des électrons 4f ou 5f, provenant d'orbitales f partiellement remplies, interagissent avec les électrons de la bande de conduction de l'intermétallique, formant par hybridation des quasi-particules dont la masse effective est sensiblement supérieure à celle des électrons libres. Ce phénomène s'observe en dessous d'une température caractéristique dite de cohérence, notée T, et généralement de l'ordre de . Les électrons de conduction de ces composés métalliques se comportent alors comme s'ils avaient une masse effective jusqu'à supérieure à celle d'un électron libre. De là provient le nom de fermions lourds donné à ce type de substances. Cette masse effective élevée contribue fortement à la résistivité des fermions lourds à basse température par diffusion électron-électron en raison du rapport de Kadowaki-Woods élevé de telles substances. Ces matériaux sont ainsi caractérisés par une capacité thermique à basse température dont le terme de premier degré peut être jusqu'à plus élevé que la valeur dérivée du modèle de l'électron libre. Des comportements de type fermion lourd ont été observés dans une grande variété de phases, par exemple métalliques, supraconductrices, isolantes et magnétiques. Les systèmes , , , , et sont des exemples caractéristiques de matériaux à fermions lourds. Les fermions lourds font partie des . Plusieurs d'entre eux deviennent supraconducteurs en-dessous d'une température critique T ; il s'agit dans ce cas d'une supraconductivité non conventionnelle. À température élevée, les fermions lourds se comportent comme des métaux normaux et leurs électrons peuvent être décrits comme un gaz de Fermi dans lequel les électrons sont considérés comme des fermions qui n'interagissent pas.