schwere Fermionen

schwere Fermionen

 

[englisch heavy fermions], Klasse von intermetallischen Verbindungen, die in den 1980er-Jahren entdeckt wurde. Schwere-Fermionen-Systeme (Abkürzung SFS) bestehen meist aus Verbindungen, die Elemente der leichten Lanthanoide (z. B. Cer) oder der Actinoide (z. B. Uran) enthalten. Sie weisen bei tiefen Temperaturen nahe dem absoluten Nullpunkt ausgeprägte Anomalien in ihren physikalischen Eigenschaften (wie magnetische Suszeptibilität, spezifische Wärmekapazität, elektrischer Widerstand) auf, die sich nicht durch die bis dahin bewährten Modelle der Festkörperphysik beschreiben lassen.

 

Die schweren Fermionen sind nach der Unterteilung der Materie in Fermionen und Bosonen benannt - Begriffe aus der Quantenphysik, die die Materie in zwei, sich fundamental voneinander unterscheidende Gruppen von Teilchen teilt. Im Gegensatz zu den klassischen Elektronen sind die Elektronen in schwere-Fermionen-Systemen »schwer«: In Bewegung verhalten sie sich, als ob sie bis zum circa 100fachen der effektiven Masse eines normalen Elektrons besäßen, sie sind also scheinbar fast so schwer wie ein Atomkern. Der Grund hierfür liegt jedoch nicht in einem echten Massenzuwachs, sondern in einer Art »Beharrungsenergie«: einer Kopplung der Elektronen an Schwingungsmoden des Kristallgitters (Phonon), in dem sich die Atome befinden. Will eine Kraft ein solches Elektron bewegen, muss es sozusagen das Gitter mitziehen.

 

Die Versuche, den Grund für dieses Phänomen zu erklären, sind noch nicht abgeschlossen und reichen von Modifikationen der klassischen Fermi-Flüssigkeits-Theorien bis zu radikalen Ansätzen, die eine neue Ordnungsform der Materie voraussetzen. Die Entstehung des schwere-Fermionen-Zustandes resultiert u. a. aus der Wechselwirkung von Leitungsband und lokalen f-Elektronen aufgrund von quantenmechanischer Hybridisierung. - Das Interesse an dieser Materialart ist groß, handelt es sich doch beim schwere-Fermionen-Zustand um einen neuartigen Grundzustand von Materie, dessen schwere Elektronen Supraleitung, Magnetismus oder Fermi-Flüssigkeits-Verhalten zeigen können. Die in einigen schwere-Fermionen-Systemen auftretende Supraleitung gehört zur exotischen (unkonventionellen) Supraleitung (exotische Supraleiter).