Schwerfermionenmetall

Schwerfermionmetalle sind Metalllegierungen, die aufgrund stark korrelierter Elektronensysteme ungewöhnliche Eigenschaften besitzen. Es handelt sich meist um Verbindungen mit Lanthanoiden wie Cer oder Actinoiden wie Uran. Einige zeigen unkonventionelle Supraleitung (Schwere-Fermionen-Supraleiter).

Der Begriff des schweren Fermions bezieht sich auf die effektive Masse, die die Elektronen (die zu den Fermionen gehören) durch ihre Wechselwirkung mit dem periodischen Potential des Festkörpers oder mit anderen Elektronen erhalten. Dadurch verhalten sie sich wie freie Elektronen, nur mit einer modifizierten Masse (Quasielektron). Er hat nichts mit den schweren Fermionen der Elementarteilchenphysik, also den schweren Quarks und Leptonen der zweiten und dritten Generation zu tun; Schwerfermionenmetalle sind somit ebenfalls wie alle andere gewöhnliche Materie aus den leichten Elementarteilchen aufgebaut.

Schwerfermionenmetalle zeigen bei tiefen Temperaturen ungewöhnlich hohe Beiträge der Elektronen zur spezifischen Wärme, die bis zu tausendmal größer ist als aus der Sommerfeld-Theorie der Metalle erwartet. Das entspricht Elektronen mit hoher effektiver Masse. Außerdem zeigen sich Unterschiede zu normalen Metallen in der magnetischen Suszeptibilität und der Temperaturabhängigkeit der Leitfähigkeit. Es gibt verschiedene Theorien über die Ursache des ungewöhnlichen Verhaltens, bei denen die teilweise gefüllten 4f- und 5f-Schalen der charakteristischen Legierungsbestandteile (Lanthanoide, Actinoide), die stark korrelierte Systeme mit den Leitungselektronen bilden, eine Rolle spielen. Dabei wirken die Coulombabstoßung der Elektronen in den teilgefüllten Schalen und die Mischung mit den Valenzorbitalen der anderen Legierungsbestandteile zusammen.