Fermion lourd

En physique du solide, les matériaux à fermions lourds, souvent appelés simplement « fermions lourds^[1] », sont une classe particulière d'intermétalliques contenant des atomes ayant des électrons 4f (lanthanides) ou 5f (actinides) dans des bandes incomplètes^[2] 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_coh, et généralement de l'ordre de 10 K. Les électrons de conduction de ces composés métalliques se comportent alors comme s'ils avaient une masse effective jusqu'à 1 000 fois 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 1 000 fois 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 CeCu₆, CeAl₃, CeCu₂Si₂, YbAl₃, UBe₁₃ et UPt₃ sont des exemples caractéristiques de matériaux à fermions lourds.