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Fermions lourds
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Fermions lourds

Un supra de poids

Les fermions lourds sont des alliages intermétalliques qui contiennent des atomes de terre rare (Cérium) ou d’actinides (Uranium). Ce sont les électrons qui sont « au fond » de ces atomes qui donnent leurs propriétés exceptionnelles au Fermions Lourds, notamment grâce à leur magnétisme. En effet, ces électrons par un processus quantique s’emmêlent (hybridisation) avec les électrons de passage pour former une nouvelle particule, une sorte d’électron habillé de la présence de tous les autres. Et ces nouvelles particules, des fermions, sont très fortement ralentis et se comportent comme des particules beaucoup plus lourdes, comme si elles étaient coincées dans un immense embouteillage d’électrons.

Les chercheurs s’intéressent à ces composés car comme dans le cas des supraconducteurs à haute température, deux états de la matière s’y retrouvent : magnétisme et supraconductivité, avec de fortes interactions entre les deux. Il y a même une forte possibilité que le magnétisme soit « la colle » qui permet d’associer les électrons en paires dans ces composés permettant la supraconductivité. Paradoxalement le fait que ces propriétés remarquables apparaissent seulement à très basse température est un avantage pour comprendre la physique fondamentale, et les fermions lourds sont un excellent banc d’essai pour comprendre les propriétés des autres familles de supraconducteurs.

Mais ce n’est pas tout, il y a en plus des découvertes dans la supraconductivité des fermions lourds de phénomènes tout à fait surprenants. La coexistence du ferromagnétisme et de la supraconductivité a ainsi été découverte dans le composé UGe2. De même, dans certains composés de fermions lourds, la supraconductivité, qui normalement devrait être rapidement détruite par le champ magnétique, survit à des champs magnétiques extraordinairement élevés en comparaison de la température critique. On assiste parfois même à un phénomène étonnant :  c’est en mettant un fort champ magnétique que la supraconductivité apparaît. Ces propriétés ne peuvent être expliquées que par l’existence d’une phase supraconductrice insolite, prédite théoriquement: les électrons qui forment les paires de Cooper auraient leurs spins (petit aimant porté par chaque électron) dans le même sens, alors que normalement il est dans le sens opposé. On parle alors de supraconductivité « triplet ». C’est seulement dans un superfluide, l’hélium 3, qu’on a observé un tel comportement jusqu’à présent.

Propriétés  d'un fermion lourd  (ici CeRhIn5) en fonction de la pression p qu'on lui appliqueUne des techniques que les chercheurs utilisent pour mieux comprendre ces propriétés insolites est d’appliquer de très fortes pressions sur les matériaux, jusqu’à 100 000 fois la pression atmosphérique. En effet, la pression induit de grands changements sur les fermions lourds, comme le dopage le fait sur les cuprates. On peut par exemple détruire le magnétisme et faire apparaître la supraconductivité et ainsi étudier la petite zone où les deux coexistent. Cliquez sur la figure pour changer la pression et faire apparaître les liens forts entre supraconductivité et magnétisme dans le composé CeRhIn5.

 

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