Forskare från MIPT och andra forskningsinstitut och universitet har upptäckt ovanliga fenomen som förekommer i en enda ceriumhexaborid (CeB ₆ ) kristall. Genom att utföra ett elektronspinnresonans (ESR) experiment, forskarna bekräftade materialets status, som har kallats ett "undantag från undantag, "eftersom dess beteende trotsar alla förklaringar när det gäller befintliga modeller och konventionella teorier. Forskningsresultaten publicerades i Vetenskapliga rapporter .

Trots 40 års studier, ceriumhexaborid presenterar fortfarande forskningsutmaningar på grund av dess ovanliga egenskaper. Det är en förening som tillhör klassen starkt korrelerade material, d.v.s. material vars egenskaper inte kan beskrivas på ett adekvat sätt utan att ta hänsyn till interaktionerna mellan elektroner (aka elektronisk korrelation). Många teorier har föreslagits för att förklara de onormala fysikaliska egenskaperna hos ceriumhexaborid, men de visade sig inte kunna förutsäga resultaten av ESR -experiment. Det kan vara så att teorin om ESR i starkt korrelerade system måste förbättras väsentligt för att ta hänsyn till ceriumhexaborids exceptionella beteende.

ESR -spektroskopi används för att studera prover som innehåller partiklar med oparade snurr, nämligen., elektroner och radikaler. Ett prov placeras i ett stabilt magnetfält och utsätts för mikrovågsstrålning. Ett ESR -spektrum av provet erhålls, från vilken data om dess kemiska struktur och egenskaper kan extraheras. Absolut kalibrering av ESR-spektra i enheter med magnetisk permeabilitet och ESR-spektrallinjeformanalys gör det möjligt för forskare att hitta de spektroskopiska parametrarna:g-faktor (gyromagnetiskt förhållande), linjebredd (centrifugeringstid), och oscillerande magnetisering eller dynamisk magnetisk känslighet.

ESR i ceriumhexaborid rapporterades i en tidigare studie av samma författare. De utvecklade en unik experimentell teknik som kunde ta upp ESR -signalen från ceriumhexaborid och liknande material. Konventionella ESR -spektrometrar har ofta stora svårigheter att upptäcka signaler från starkt korrelerade material.

De experimentella fynden var oväntade. För en sak, deras mätningar visade att den oscillerande magnetiseringen längs den [100] kristallografiska riktningen kan överstiga den totala statiska magnetiseringen av provet. Detta strider mot vanliga förväntningar (och teoretiska förutsägelser), eftersom oscillerande magnetisering teoretiskt sett är tänkt att vara en av beståndsdelarna i provets magnetiska moment, d.v.s. den måste vara mindre än den totala magnetiseringen. Enligt forskarna, ett enkelt sätt att förklara detta fynd skulle vara att säga att det finns några ytterligare, oredovisade interaktioner mellan fria elektroner och elektronerna i 4f-skalet av ceriumjoner. Denna kvalitativa förklaring, dock, måste bekräftas med ytterligare teoretiska beräkningar.

Ett annat oväntat resultat av experimentet är korrelationen mellan magnetoresistansens vinkelberoende och ESR -spektrallinjebredden med avseende på det yttre magnetfältet (under kristallprovrotation). Korrelationen är anmärkningsvärd, eftersom ovanstående parametrar har en helt annan fysisk karaktär. Därför, denna korrespondens förväntades inte. Författarna till studien ger följande förklaring:Eftersom ESR -linjebredden i stor utsträckning bestäms av snurrfluktuationer, värdet av materialets magnetoresistans kan likaledes domineras av bandelektronspridning vid spinnfluktuationer.

De mätningar som rapporterades i studien möjliggjordes tack vare förbättringar av utrustningsdesignen som introducerades av Marat Gilmanov och Alexander Samarin, doktorander vid MIPT som arbetar under handledning av Alexey Semeno, en senior forskare vid Prokhorov General Physics Institute of the Russian Academy of Sciences (GPI RAS), som också tog examen från MIPT.

"Vi har uppnått en högre grad av känslighet och stabilitet för denna materialklass än några andra experter i världen. Detta innebär att ingen annan kan utföra ESR -mätningar av starkt korrelerade metaller så exakt som vi kan. Och det är vår förbättrade utrustning som gör att vi kan se vad andra inte kan, "säger MIPT:s professor Sergey Demishev, som också leder avdelningen för låga temperaturer och kryogen teknik vid Prokhorov General Physics Institute.