Starke Korrelationen zwischen Elektronen (z. B. die Wechselwirkung von Leitungselektronen mit nahezu lokalisierten magnetischen Momenten von 4f- und 5f-Elementen) können eine Reihe herausragender und aufregender Eigenschaften bei niedrigen Temperaturen hervorrufen, wie z. B. unkonventionelle Supraleitung ("schwere Fermionen-Supraleitung"), isolierende Grundzustände ("Kondo-Isolator"), Zwischenvalenz oder magnetische Ordnung mit deutlich reduzierten magnetischen Momenten.

Die überwiegende Zahl dieser Phänomene findet sich in Verbindungen und Legierungen auf Cer-, Ytterbium- und Uranbasis und kann auf Instabilitäten der elektronischen Konfiguration (EC) im Grundzustand zurückgeführt werden. Die wichtigste Wechselwirkung in solchen Systemen ist, neben der RKKY-Wechselwirkung, der Kondo-Effekt, der dazu neigt, die lokalen magnetischen Momente zu löschen. Für Temperaturen weit unterhalb einer charakteristischen Temperatur des Systems (der "Kondo-Temperatur T_K") kann die Physik solcher Systeme erfolgreich mit dem Fermi-Flüssigkeits-Modell erklärt werden.

Ein zentraler Aspekt der Forschung der Gruppe ist die offensichtliche Symmetrie zwischen Ce- und Yb-Verbindungen, die auf das jeweilige 4f¹ und 4f¹³ EC zurückzuführen ist. Dabei verhält sich das 4f¹-Elektron von Ce spiegelbildlich zu dem mit dem 4f¹³-EC verbundenen Loch. Am eindrucksvollsten wird dies durch den Druck deutlich, der auf typische Systeme auf der Basis von Ce und Yb ausgeübt wird. Während bei ersteren der Magnetismus "unterdrückt" wird, da das 4f¹-Elektron aus der 4f-Schale herausgequetscht wird, wird bei letzteren der magnetische Zustand stabilisiert (vgl. Abbildung 1), und nichtmagnetische Systeme können durch die Anwendung von Druck magnetisch werden. Diese Elektron-Loch-Analogie wurde in vielen derartigen Systemen beobachtet und z. B. in den beiden isostrukturellen Serien CeCu_5-xAl_x und YbCu_5-xAl_x im Detail ausgearbeitet.

Durch eine Reihe von Steuerungsparametern wie Substitution, Druck, Magnetfeld oder Wertigkeit lassen sich die relevanten Wechselwirkungen und damit der Grundzustand solcher Systeme verändern. Eine Variation der s-f-Kopplungskonstante mal Zustandsdichte, d.h. JN(EF), kann das System von einem magnetischen in einen nichtmagnetischen Zustand treiben (im Falle von Cer-Systemen kann dies durch Druck geschehen), wodurch ein kritischer Parameter überschritten wird, bei dem die langreichweitige magnetische Ordnung gerade auf Null unterdrückt wird (vgl. Abbildung 2). Bei diesem kritischen Wert des Parameters JN(EF) treten ausgeprägte Abweichungen von den Vorhersagen des Fermi-Flüssigkeits-Verhaltens auf, am auffälligsten sind ein logarithmischer Beitrag zur spezifischen Wärme und Abweichungen des temperaturabhängigen Widerstandes von einem quadratischen Potenzgesetz.

Theoretisches Verständnis

Das Standardmodell für Leitungselektronen in Metallen geht davon aus, dass die Wechselwirkung zwischen den Elektronen durch einige wenige Parameter wie die effektive Masse beschrieben werden kann, die sich von der Masse der freien Elektronen unterscheidet. Diese Renormierung führt zu effektiv unabhängigen Quasiteilchen, die im Rahmen der Fermi-Flüssigkeitstheorie behandelt werden können. Selbst Systeme mit schweren Fermenten - Metalle mit einer hohen Konzentration an Seltenen Erden oder Aktiniden wie Ce, Yb oder U - können als Fermi-Flüssigkeiten betrachtet werden. Die starken Wechselwirkungen zwischen den Elektronen in diesen Materialien führen zu einer sehr großen effektiven Masse m*, die sich aus dem riesigen linearen spezifischen Wärmekoeffizienten g = C/T und einer entsprechend großen Pauli-Suszeptibilität c ergibt, wobei C/T ~ c = const. bei ausreichend niedrigen Temperaturen T.

Fermi-Flüssigkeit-Instabilitäten

In jüngster Zeit wurden in mehreren Systemen mit schweren Fermenten, z. B. C/T ~ -ln(T/T0), auffällige Abweichungen vom Verhalten der Fermi-Flüssigkeit (FL) festgestellt. In einigen Fällen wird eine lineare T-Abhängigkeit des elektrischen Widerstands anstelle der T2-Fermi-Flüssigkeits-Abhängigkeit festgestellt. Dieses nicht-fermi-flüssige (NFL) Verhalten kann verschiedene mikroskopische Ursachen haben, z. B. den quadrupolaren Einzelionen-Kondo-Effekt, einen kollektiven Effekt, der durch die beginnende antiferromagnetische Ordnung verursacht wird, oder einfach eine Verteilung der Kondo-Temperaturen, die durch Unordnung entsteht. Das Szenario der beginnenden magnetischen Ordnung wird am Beispiel von CeCu_6-xAu_x gezeigt, wo Konzentration und Druck eingestellt werden, um den quantenkritischen Punkt zu erreichen. In anderen Fällen wie CePd₂Si₂ oder CeIn₃ weicht der Magnetismus bei Annäherung an den kritischen Punkt der Supraleitfähigkeit. 3d-Itinerant-Elektronensysteme wie MnSi und ZrZn₂ sowie einige weitere Systeme mit schweren Fermenten zeigen ein Verhalten, das mit Spin-Fluktuationen erklärt werden kann. U-Systeme hingegen werden häufig mit Hilfe von Ein-Ionen-Modellen beschrieben.