重费米子,某些含
稀土元素(或锕系元素)的金属或合金含有的有效质量比自由电子大2~3个量级的
传导电子。
金属在低温下的电子比热系数正比于传导电子的有效质量,一般金属的比热系数约为1mJ/K2·mol的数量级,重费米子金属的比热系数大于或接近400mJ/K2·mol。第一个重费米子金属CeAl3是1975年发现的,以后其成员又陆续有所增加。
重费米子金属在很低温度下行为差别很大,有的呈现反铁磁有序(如U2Zn17,UCd11等),有的相变到超导态(如CeCu2Si2,UBe13和UPt3),有的则变成半导体或绝缘体。
以CeCu6和UPt3为例,重费米子金属中传导电子有效质量的增加缘于传导电子和Ce(或U)原子外层的f电子有很强的关联和杂化。在很低温度下显示出不同的基态则是体系中不同相互作用竞争的结果。
Ce(或U)的f电子层未满,因而具有局域磁矩,如果降低温度时局域磁矩先被屏蔽或抵消。系统在很低温度显示费米液体基态(类似铜中的自由电子系统)或超导基态。如果两个局域磁矩通过中间的电子云而产生的间接交换相互作用(一般称为RKKY相互作用)大,降温时体系先形成长程磁有序,最后呈现反铁磁基态。不同作用能的大小与合金的成分以及磁场或压力有关。当成分、磁场或压力达到某一临界值时,体系从反铁磁基态向费米液体基态或超导基态转变。在临界条件下,体系的低温行为很特殊,既不是费米液体,也不是反铁磁,而是所谓“非费米液体基态”。