Ученые 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.
Подобные экспериментальные открытия являются «проверкой на прочность» для научных теорий. В такой ситуации фундаментальный результат гораздо важнее поиска каких-либо новых практических применений данного материала.
Сильно коррелированный металл CeB₆ изучают уже более сорока лет, и он не устает удивлять исследователей. Для объяснения аномалий его физических свойств разработано множество теорий, однако, как оказалось, они не позволяют предсказать результаты ЭПР-экспериментов. Возможно, теории динамических магнитных свойств сильно коррелированных систем (в таких системах имеет место существенное взаимодействие между электронами) необходимы принципиальные доработки, которые бы объяснили исключительное поведение гексаборида церия.
Ранее авторами статьи было экспериментально обнаружено явление электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) в CeB₆. Исследователи разработали уникальную методику ЭПР-эксперимента, позволяющую «увидеть» сигнал ЭПР в образцах, подобных CeB₆, ведь в стандартном ЭПР-спектрометре наблюдение сигнала от сильно коррелированных металлов или невозможно, или существенно затруднено.
Схема эксперимента. 1. Гексаборид церия со сложной магнитной структурой. 2. Часть прибора — микроволновый резонатор, в который помещается образец. 3. Вид резонансной кривой в эксперименте ЭПР
Результаты эксперимента удивили исследователей: во-первых, измеренная осциллирующая намагниченность вдоль одного из кристаллографических направлений ([100]), которая в теории должна быть частью суммарной намагниченности, оказалась больше целого. По словам ученых, «на пальцах» это явление можно объяснить дополнительными взаимодействиями между свободными электронами и электронами магнитных оболочек церия, однако пока это лишь качественное объяснение, которое должно быть подтверждено теоретическими расчетами.
Другим удивительным результатом оказалось совпадение угловой зависимости ширины спектральной линии и сопротивления в магнитном поле (в эксперименте варьировался угол между направлением магнитного поля и осями кристалла). Казалось бы, эти величины имеют совершенно различную физическую природу и нельзя ожидать такого соответствия. Авторы статьи предлагают следующее объяснение: так как ширина линии в основном определяется спиновыми флуктуациями, то и в сопротивление CeB₆ доминирующий вклад вносит рассеяние зонных электронов на спиновых флуктуациях.
Угловые зависимости ширины спектральной линии и магнитного сопротивления. Красным обозначено магнитосопротивление, синим — ширина линии
Основой осуществления измерений, описанных в статье, стали аппаратные усовершенствования ЭПР-спектрометра, проведённые под руководством старшего научного сотрудника Института общей физики РАН, выпускника МФТИ Алексея Семено, аспирантами МФТИ Маратом Гильмановым и Александром Самариным.
«Мы выигрываем по чувствительности и стабильности, в результате на настоящий момент никто в мире, кроме нас, не может проводить измерения ЭПР в сильно коррелированных металлах на высоком уровне. Именно благодаря аппаратным усовершенствованиям мы можем видеть то, что другие не видят», — отмечает Сергей Демишев, профессор МФТИ, заведующий отделом низких температур и криогенной техники Института общей физики РАН.
