Gelen katı hal fiziği ağır fermiyon malzemeler, çoğu zaman "kadar basit ifade ağır fermiyonların özel bir sınıf", intermetalik içeren atomuna sahip olan 4 f ( lantanit ) ya da 5 f ( aktinid ) elektronlar içinde tam olmayan bantlar dolayısıyla taşıyıcılarıdır ve lokalize manyetik momentler . Bunlar, örneğin, katyonlar arasında seryum arasında, iterbiyum ya da , uranyum gelen, 4f veya 5f elektronlar içeren.Kısmen doldurulmuş f orbitalleri , intermetalik iletken bandının elektronları ile etkileşime girerek, etkili kütlesi serbest elektronlarınkinden önemli ölçüde daha büyük olan yarı parçacıkların hibridizasyonu ile oluşur . Bu fenomen, tutarlılık adı verilen , T coh olarak belirtilen karakteristik bir sıcaklığın altında ve genellikle 10 K mertebesinde gözlenir . Bu metalik bileşiklerin iletim elektronları, sanki serbest bir elektronunkinin 1000 katına kadar etkili bir kütleye sahipmiş gibi davranırlar. Buradan , bu tür maddelere verilen ağır fermiyonların adı gelir . Bu yüksek etkili kütle , bu tür maddelerin yüksek Kadowaki-Woods oranı nedeniyle elektron-elektron saçılmasıyla düşük sıcaklıklarda ağır fermiyonların direncine güçlü bir şekilde katkıda bulunur . Bu malzemeler, bu nedenle , birinci derece terimi , serbest elektron modelinden türetilen değerden 1000 kat daha yüksek olabilen, düşük sıcaklıkta bir termal kapasite ile karakterize edilir .
Metalik , süper iletken , yalıtkan ve manyetik gibi çok çeşitli fazlarda ağır fermiyon benzeri davranışlar gözlemlenmiştir . CeCu 6 sistemleriCeAl 3, CeCu 2 Si 2, YbAl 3, UBe 13ve UPt 3 ağır fermiyon malzemelerinin tipik örnekleridir.
Ağır fermiyonlar, güçlü bir şekilde ilişkili malzemelerin (inç) parçasıdır . Bunlardan birkaç hale süper-iletkenleri kritik sıcaklığının , T c ; bu durumda alışılmadık bir süperiletkenliktir.
Yüksek sıcaklıkta, ağır fermiyonlar normal metaller gibi davranır ve elektronları , elektronların etkileşmeyen fermiyonlar olarak kabul edildiği Fermi gazı olarak tanımlanabilir . Bu durumda, yerelleştirilmiş bir manyetik moment sergileyen iletim elektronları ile f elektronları arasındaki etkileşimler ihmal edilebilir.
Teorisi Fermi sıvı arasında Landau düşük sıcaklıklarda ağır fermiyonların en özelliklerini tarif için iyi bir modeldir. Bu teoride, elektronlar, aynı kuantum sayılarını ve aynı yükü paylaşan, ancak elektronlar arasındaki etkileşimlerin dikkate alınmasından kaynaklanan etkili bir kütleye sahip olan yarı parçacıklar olarak tanımlanır; bu etkili kütle, serbest elektronların kütlesinden farklıdır.
Ağır fermiyonlardaki enerji seviyeleri , gelen elektromanyetik radyasyonun dalga boyunu değiştirerek ve numune tarafından yansıtılan ve iletilen yoğunluğu ölçerek spektroskopik olarak incelenebilir .
T coh olarak gösterilen karakteristik bir tutarlılık sıcaklığının üzerinde, ağır fermiyonlar normal metaller gibi davranır , yani elektromanyetik dalgalara tepkileri Drude'un modeline yanıt verir . Bununla birlikte, Kondo etkisiyle difüzyona neden olan lokalize manyetik momentlerin yüksek yoğunluğu - elemental kristal kafes başına en az bir f elektron - nedeniyle yüksek sıcaklıkta yüksek difüzyon hızıyla iyi metallerden farklıdırlar . Düşük frekansta ve doğru akım için iletkenliğin oldukça düşük olduğu anlaşılmaktadır. Gevşeme süresine karşılık gelen bir frekansta bir iletkenlik düşüşü gözlemlenir.
Tutarlılık sıcaklığı altında , T COH , hibridizasyon meydana iletim elektron ve lokalize f elektron, bu elektronların etkin kütle dolayısıyla artış arasında. Kondo (en) yalıtımının aksine , kimyasal potansiyel ağır fermiyonlar iletim bandındadır . Bunun ağır fermiyonların elektromanyetik tepkisi üzerinde birkaç sonucu vardır.
İletkenlik σ, ω frekansının bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir , burada m * etkin kütle ve τ * renormalize gevşeme oranıdır . Etkili kütledeki artış, yeniden normalize edilmiş gevşeme oranında bir artışa yol açarak, çok düşük frekanslarda normal metallere göre daha dar bir yuvarlanma ile sonuçlanır. Ağır, düşük frekanslı bir fermiyonda gözlemlenen en düşük gevşeme oranı UPd 2 Al 3 sisteminde gözlenmiştir . (içinde) .
Geleneksel metallerin düşük sıcaklıktaki özgül ısı kapasitesi C P , elektronlardan gelen ve C P, el olarak belirtilen bir kısım ve C P, ph olarak adlandırılan fononlardan gelen bir kısımdan oluşur . Birinci sıcaklık doğrusal bağlıdır T ikinci küp bağlı iken T 3 sıcaklığı:
orantılılık sabitleri β ve γ ile, ikincisi Sommerfeld sabiti olarak adlandırılır .
Düşük sıcaklıkta, özgül ısı kapasitesi esas olarak elektronik kısmından elde edilir. Bu, Fermi gaz yaklaşımı kullanılarak şu şekilde tahmin edilebilir :
burada k, B ise Boltzmann sabiti , n- elektron yoğunluğu ve ε F Fermi düzeyi .
Isı kapasitesi ve termal etkili kütle arasındaki ilişkiFermi enerjisi ε F bir olan elektron karesi dispersiyon ilişkisi kütlesi ile ters orantılıdır m partikülün:
burada k F , elektron yoğunluğuna bağlı olan ve işgal edilen en yüksek enerji seviyesinin dalga sayısının mutlak değeridir Fermi dalga sayısıdır . Sommerfeld sabiti γ , ε F ile ters orantılı olduğundan , γ parçacığın kütlesiyle orantılıdır ve γ yüksek olduğunda metal , iletken elektronların kütlesel olarak yüksek bir termal verime sahip olduğu serbest bir elektron gazı malzemesi gibi davranır .