Тяжелый фермионный материал
В физике твердого тела материалы с тяжелыми фермионами представляют собой особый тип интерметаллического соединения , содержащего элементы с 4f или 5f электронами в незаполненных электронных зонах . [1] Электроны являются одним из типов фермионов , и когда они находятся в таких материалах, их иногда называют тяжелыми электронами . [2] Материалы с тяжелыми фермионами имеют низкотемпературную удельную теплоемкость , линейный член которой до 1000 раз больше, чем значение, ожидаемое в модели свободных электронов . Свойства соединений с тяжелыми фермионами часто обусловлены частично заполненными f-орбиталями атомов.ионы редкоземельных элементов или актинидов , которые ведут себя как локализованные магнитные моменты . Название «тяжелый фермион» происходит от того факта, что фермион ведет себя так, как будто его эффективная масса больше массы покоя. В случае электронов ниже характеристической температуры (обычно 10 К) электроны проводимости в этих металлических соединениях ведут себя так, как если бы их эффективная масса в 1000 раз превышала массу свободной частицы . Эта большая эффективная масса также отражается в большом вкладе в удельное сопротивление электрон-электронного рассеяния через отношение Кадоваки-Вудса . Поведение тяжелых фермионов было обнаружено в самых разных состояниях, включая металлические,сверхпроводящее , диэлектрическое и магнитное состояния. Характерными примерами являются CeCu 6 , CeAl 3 , CeCu 2 Si 2 , YbAl 3 , UBe 13 и UPt 3 .
Поведение тяжелых фермионов было обнаружено К. Андресом, Дж. Э. Гребнером и Х. Р. Оттом в 1975 г., которые наблюдали огромные величины линейной удельной теплоемкости в CeAl 3 . [3]
В то время как исследования легированных сверхпроводников привели к выводу, что существование локализованных магнитных моментов и сверхпроводимости в одном материале несовместимы, было показано обратное, когда в 1979 г. Франк Штеглих и др. обнаружил сверхпроводимость тяжелых фермионов в материале CeCu 2 Si 2 . [4]
Открытие квантовой критической точки и поведения неферми-жидкости на фазовой диаграмме соединений с тяжелыми фермионами Х. фон Лёнейсеном и др. в 1994 г. привели к новому подъему интереса к исследованиям этих соединений. [5] Другим экспериментальным прорывом стала демонстрация (группой Гила Лонзариха ), что квантовая критичность в тяжелых фермионах может быть причиной нетрадиционной сверхпроводимости. [6]
Материалы с тяжелыми фермионами играют важную роль в текущих научных исследованиях, выступая в качестве прототипов материалов для нетрадиционной сверхпроводимости, поведения неферми-жидкости и квантовой критичности. Фактическое взаимодействие между локализованными магнитными моментами и электронами проводимости в соединениях с тяжелыми фермионами до сих пор полностью не изучено и является предметом продолжающихся исследований.
Несколько членов группы материалов с тяжелыми фермионами становятся сверхпроводящими ниже критической температуры. Сверхпроводимость нетрадиционна .
