Этот материал представляет собой уникальный случай, который не поддается объяснению с помощью существующих моделей и общепринятых теорий.
Учёные из МФТИ и других институтов обнаружили необычные явления в кристалле гексаборида церия, CeB₆. Эксперимент по электронному парамагнитному резонансу (ЭПР) подтвердил, что этот материал является «исключением среди исключений» и не может быть описан существующими моделями и общепринятыми теориями. Результаты опубликованы в журнале Scientific Reports.
Эти экспериментальные открытия служат своего рода испытанием для научных теорий. В данном случае, фундаментальное значение результата превосходит поиск новых практических применений материала.
Гексаборид церия (CeB₆) — металл с высокой степенью корреляции — исследуется уже более четырёх десятилетий и продолжает вызывать интерес у учёных. Для объяснения необычных физических характеристик этого соединения было предложено множество теоретических моделей, однако они не способны точно воспроизвести результаты экспериментов по электронному парамагнитного резонанса (ЭПР). Вероятно, для адекватного описания динамических магнитных свойств сильно коррелированных систем, где электроны взаимодействуют в значительной степени, требуется принципиальное переосмысление существующих теорий, что позволит объяснить уникальные свойства гексаборида церия.
ЭПР-спектрометрия используется для изучения образцов, содержащих частицы с неспаренными спинами, такие как электроны и радикалы. Образец, находящийся в постоянном магнитном поле, подвергается воздействию СВЧ-излучения. Полученный спектр предоставляет информацию о химическом строении и свойствах вещества. Анализ формы линии ЭПР и абсолютная калибровка спектров в единицах магнитной проницаемости позволяют определить g-фактор (гиромагнитное отношение), ширину линии (время спиновой релаксации) и осциллирующую намагниченность или динамическую магнитную восприимчивость.
Авторы предыдущей статьи экспериментально выявили электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) в CeB₆. Для регистрации сигнала ЭПР в образцах, подобных CeB₆, исследователи разработали специальную методику, поскольку в обычных ЭПР-спектрометрах наблюдение сигнала от сильно коррелированных металлов либо невозможно, либо крайне затруднено.
Результаты эксперимента оказались неожиданными для исследователей. В частности, измеренная осциллирующая намагниченность вдоль кристаллографического направления [100], которая, согласно теории, должна была составлять часть общей намагниченности, превысила её. Учёные отмечают, что это явление можно приблизительно объяснить дополнительными взаимодействиями между свободными электронами и электронами магнитных оболочек церия, однако для его подтверждения необходимы теоретические расчёты.
Еще одним неожиданным результатом стало соответствие угловой зависимости ширины спектральной линии и сопротивления в магнитном поле (угол между направлением магнитного поля и осями кристалла изменялся в ходе эксперимента). Эти величины, казалось бы, имеют различную физическую природу, поэтому такое совпадение выглядит неожиданным. Авторы статьи предполагают, что ширина линии главным образом определяется спиновыми флуктуациями, и, следовательно, рассеяние зонных электронов на спиновых флуктуациях является основным фактором, влияющим на сопротивление CeB.
Для проведения измерений, представленных в статье, были внесены аппаратные модификации ЭПР-спектрометра. Руководил этими улучшениями старший научный сотрудник Института общей физики РАН, являющийся выпускником МФТИ Алексея Семено, аспирантами МФТИ Маратом Гельмановым и Александром Самариным.
«Благодаря превосходной чувствительности и стабильности, на данный момент только наша лаборатория в мире способна проводить измерения ЭПР в сильно коррелированных металлах с высокой точностью. Достигнутое благодаря аппаратным усовершенствованиям, позволяет нам получать данные, недоступные другим» , — отмечает Сергей Демишев, профессор МФТИ, возглавляет отдел низких температур и криогенной техники Института общей физики РАН.