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Fermion lourd

DéfinitionClassé sous :physique , fermion lourd , cérium
Frank Steglich, le découvreur de la supraconductivité non conventionnelle avec des fermions lourds. © Rice University

Les fermions lourds sont des alliages intermétalliques qui contiennent des atomes de terre rare, comme le cérium, ou d'actinides, comme l'uranium, dans lesquels les électrons peuvent avoir une masse effective mille fois plus lourds que celle d'un électron isolé, d'où le nom de ces alliages. Découverts il y a presque 40 ans, ces alliages ont souvent la propriété de devenir supraconducteurs à très basses températures et on considère qu'ils sont de bons laboratoires pour tenter de comprendre les supraconducteurs non conventionnels comme les cuprates.

En effet, contrairement aux supraconducteurs conventionnels, tel le mercure, dans lesquels les paires de Cooper qui assurent la conduction sans résistance se forment avec des phonons, comme l'explique la théorie BCS, il semble bel et bien que des effets de couplages magnétiques entre les spins des électrons soient responsables de la formation de ces paires dans les fermions lourds. Les électrons se meuvent dans ces matériaux cent fois moins rapidement que dans un métal normal.

Description des fermions lourds

On peut décrire les fermions lourds avec ce qui est connu comme un réseau de Kondo, c'est-à-dire une répartition périodique d'atomes magnétiques constituant des impuretés dans un conducteur métallique. Ce réseau est tel qu'il apparaît un couplage magnétique entre le spin de certains électrons sur des orbitales des atomes magnétiques fixes et le spin des électrons de conduction du matériau considéré. 

Il se produit alors comme une sorte d'intrication quantique des électrons, mais il serait plus juste de parler d'hybridation, similaire à celles des électrons dans les molécules, dont le résultat final est de donner une masse effective aux électrons qui peut être multipliée par mille dans certains alliages intermétalliques. Ces alliages où électrons de type f et électrons provenant de bandes de conduction s'emmêlent quantiquement, constituant ce que l'on appelle des systèmes à fermions lourds, ou tout simplement des fermions lourds. Tout se passe un peu pour ces électrons comme une bille passant de l'air dans de l'huile : une force de résistance au mouvement équivalente à une augmentation de masse se manifeste alors.