Ceriumhexaborid udfordrer fysikere til at udvikle ny teori

Forskere fra MIPT og andre forskningsinstitutter og universiteter har opdaget usædvanlige fænomener, der forekommer i et enkelt ceriumhexaborid (CeB ₆ ) krystal. Ved at udføre et elektronspinresonans (ESR) eksperiment, forskerne bekræftede materialets status, som er blevet døbt en "undtagelse fra undtagelser, ", da dets adfærd trodser enhver forklaring i form af eksisterende modeller og konventionelle teorier. Forskningsresultaterne blev offentliggjort i Videnskabelige rapporter .

På trods af 40 års studier, ceriumhexaborid giver stadig forskningsmæssige udfordringer på grund af dets usædvanlige egenskaber. Det er en forbindelse, der tilhører klassen af ​​stærkt korrelerede materialer, dvs. materialer, hvis egenskaber ikke kan beskrives tilstrækkeligt uden at tage højde for interaktionerne mellem elektroner (alias elektronisk korrelation). Mange teorier er blevet foreslået for at forklare de unormale fysiske egenskaber af ceriumhexaborid, men de viste sig alle ude af stand til at forudsige resultaterne af ESR-eksperimenter. Det kan være tilfældet, at teorien om ESR i stærkt korrelerede systemer skal forbedres væsentligt for at tage højde for den exceptionelle opførsel af ceriumhexaborid.

ESR-spektroskopi bruges til at studere prøver, der indeholder partikler med uparrede spins, dvs., elektroner og radikaler. En prøve placeres i et stabilt magnetfelt og udsættes for mikrobølgestråling. Et ESR-spektrum af prøven opnås, hvorfra data om dens kemiske struktur og egenskaber kan udvindes. Absolut kalibrering af ESR-spektre i enheder af magnetisk permeabilitet og ESR-spektrallinjeformanalyse gør det muligt for forskere at finde de spektroskopiske parametre:g-faktor (gyromagnetisk forhold), linjebredde (spin afspændingstid), og oscillerende magnetisering eller dynamisk magnetisk følsomhed.

ESR i ceriumhexaborid blev rapporteret i en tidligere undersøgelse af de samme forfattere. De udviklede en unik eksperimentel teknik, der er i stand til at opfange ESR-signalet fra ceriumhexaborid og lignende materialer. Konventionelle ESR-spektrometre står ofte over for betydelige vanskeligheder med at detektere signaler fra stærkt korrelerede materialer.

De eksperimentelle resultater var uventede. For én ting, deres målinger viste, at den oscillerende magnetisering langs den [100] krystallografiske retning kan overstige prøvens totale statiske magnetisering. Dette er i modstrid med almindelige forventninger (og teoretiske forudsigelser), da oscillerende magnetisering teoretisk formodes at være en af ​​bestanddelene i prøvens magnetiske moment, dvs. den skal være mindre end den samlede magnetisering. Ifølge forskerne, en enkel måde at forklare dette fund på ville være at sige, at der er nogle yderligere, uforudsete interaktioner mellem frie elektroner og elektronerne i 4f-underskallen af ​​ceriumioner. Denne kvalitative forklaring, imidlertid, skal bekræftes af yderligere teoretiske beregninger.

Et andet uventet resultat af eksperimentet er korrelationen mellem magnetoresistensens vinkelafhængighed og ESR-spektrallinjebredden i forhold til det eksterne magnetfelt (under krystalprøverotation). Sammenhængen er bemærkelsesværdig, da ovenstående parametre har en helt anden fysisk karakter. Derfor, denne korrespondance var ikke forudset. Forfatterne af undersøgelsen giver følgende forklaring:Da ESR-linjebredden i høj grad bestemmes af spin-udsving, værdien af ​​materialets magnetoresistens kan ligeledes være domineret af båndelektronspredning på spin-fluktuationer.

Målingerne rapporteret i undersøgelsen blev gjort mulige takket være forbedringer af udstyrsdesignet introduceret af Marat Gilmanov og Alexander Samarin, ph.d.-studerende ved MIPT, der arbejder under supervision af Alexey Semeno, en seniorforsker ved Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS), som også er uddannet fra MIPT.

"Vi har opnået en større grad af følsomhed og stabilitet for denne klasse af materialer end nogen andre forsøgsledere i verden. Det betyder, at ingen andre kan udføre ESR-målinger af stærkt korrelerede metaller så præcist, som vi kan. Og det er vores forbedrede udstyr. som sætter os i stand til at se, hvad andre ikke kan, " siger MIPTs prof. Sergey Demishev, som også leder afdelingen for lave temperaturer og kryogenteknik ved Prokhorov General Physics Institute.