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.
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, сообщается в пресс-релизе, поступившем в редакцию Planet
Today.
Сильно коррелированный металл CeB₆ изучают уже более сорока лет, и он
не устаёт 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.
Вставка:
ЭПР-спектрометрия позволяет исследовать образцы, содержащие частицы с
неспаренными спинами — электроны, радикалы. На образец, помещённый в
постоянное магнитное поле, воздействуют СВЧ-излучением. Полученный
спектр позволяет судить о химическом строении и свойствах вещества.
Анализ формы линии ЭПР и абсолютная калибровка спектров в единицах
магнитной проницаемости позволяют найти g-фактор (гиромагнитное
отношение), ширину линии (время спиновой релаксации) и осциллирующую
намагниченность или динамическую магнитную восприимчивость.
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.
Рис. 1. 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 учёных, «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 расчётами.
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.
Рис. 2. 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 Гельмановым 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.
