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Introduction aux systèmes à fermions lourds

Les systèmes à électrons très fortement corrélés sont le lieu d’une compétition entre localisation et délocalisation électronique. En appliquant une pression ou un dopage chimique, c’est-à-dire un paramètre ajustable \delta, on peut modifier continûment les propriétés du système et agir sur la localisation des électrons. Généralement, la localisation des électrons se caractérise par un état fondamental isolant et ordonné magnétiquement, alors que leur délocalisation s’accompagne d’un état fondamental liquide de Fermi, conducteur et paramagnétique. Tel est par exemple le cas des isolants de Mott, lesquels sont composés d’électrons localisés qui, sous pression ou par dopage, peuvent devenir itinérants et donner un caractère métallique au système. Parmi eux, on cite le cas de certains systèmes organiques (qui deviennent parfois supraconducteurs à la transition localisé-itinérant), mais aussi le cas des supraconducteurs à haute température critique ou des supraconducteurs à base de fer.

Dans les systèmes à fermions lourds, de très fortes corrélations électroniques conduisent à une très forte renormalisation de la masse effective m^* des électrons (d’où l’appellation "fermions lourds") et à un comportement de type liquide de Fermi à basse température (C_p/T\propto\chi\propto m^*, où C_p est la chaleur spécifique, T la température et \chi la susceptibilité magnétique, \rho=\rho_0+a(m^*T)^2, où  \rho est la résistivité électrique, etc.). Dû à la présence d’électrons f et d’électrons provenant de bandes de conduction, leur physique est dominée par deux phénomènes :
- l’effet Kondo, qui consiste en une hybridation des orbitales f et des bandes de conduction, et qui conduit à la délocalisation des électrons f et à l’établissement d’un régime liquide de Fermi fortement renormalisé (c’est le régime à fermions lourds).
- l’interaction d’échange RKKY entre deux électrons f, via les électrons de conduction, qui tend vers un état localisé ordonné magnétiquement des électrons f.
Les systèmes à fermions lourds sont eux aussi le siège d’une compétition entre localisation et délocalisation électronique, laquelle concerne les électrons f.

Diagramme de phase des fermions lourds Figure 1 : Diagramme de phase générique des systèmes à fermions lourds

Le diagramme de phase de ces systèmes (cf. Figure 1) résulte de la compétition des interactions Kondo et RKKY [1]. Il peut être contrôlé via un paramètre ajustable \delta tel que la pression ou le dopage chimique et est constitué d’une phase antiferromagnétique et d’un régime paramagnétique et liquide de Fermi, lesquels sont séparés par une transition de phase quantique (à T = 0). Des phénomènes spectaculaires, tels que l’apparition d’un régime dit "non-liquide de Fermi" [2] ou d’une poche de supraconductivité non-conventionnelle [3] sont observés au voisinage de la transition de phase quantique de nombreux fermions lourds. La notion de fluctuations magnétiques critiques [4], qui sont les fluctuations qui gouvernent la transition, est au cœur du problème [5]. La compréhension de la criticalité quantique et des phénomènes associés est actuellement sujette à de nombreuses spéculations et controverses dans la communauté des fermions lourds.

Références :

[1] S. Doniach, Physica B 91, 231 (1977).

[2] G.R. Stewart, Rev. Mod. Phys. 73, 797 (2001).

[3] J. Flouquet et al., C. R. Phys. 7 (2006) 22 ; P. Thalmeier et al., Frontiers in Superconducting Materials (Springer, Berlin, 2005) Chap. 3 ; C. Pfleiderer, arXiv : 0905.2625v1 [cond-mat.supr-con].

[4] W. Knafo et al., Nature Phys. 5, 753 (2009).

[5] J.A. Hertz, Phys. Rev. B 14, 1165 (1976) ; A.J. Millis, Phys. Rev. B 48, 7183 (1993) ; T. Moriya, and T. Takimoto, J. Phys. Soc. Japan 64, 960 (1995) ; T. Moriya and K. Ueda, Adv. Phys. 49, 555 (2000).

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