Des scientifiques du MIPT et d'autres instituts de recherche et universités ont découvert des phénomènes inhabituels se produisant dans un seul hexaborure de cérium (CeB 6 ) cristal. En réalisant une expérience de résonance de spin électronique (ESR), les chercheurs ont confirmé l'état du matériel, qui a été qualifiée d'« exception aux exceptions, " car son comportement défie toute explication en termes de modèles existants et de théories conventionnelles. Les résultats de la recherche ont été publiés dans Rapports scientifiques .

Malgré 40 ans d'études, l'hexaborure de cérium présente encore des défis de recherche en raison de ses propriétés inhabituelles. C'est un composé qui appartient à la classe des matériaux fortement corrélés, c'est à dire., matériaux dont les propriétés ne peuvent pas être décrites de manière adéquate sans tenir compte des interactions entre les électrons (alias corrélation électronique). De nombreuses théories ont été proposées pour expliquer les propriétés physiques anormales de l'hexaborure de cérium, mais ils se sont tous avérés incapables de prédire les résultats des expériences ESR. Il se pourrait que la théorie de la RSE dans les systèmes fortement corrélés doive être considérablement améliorée afin de tenir compte du comportement exceptionnel de l'hexaborure de cérium.

La spectroscopie ESR est utilisée pour étudier des échantillons contenant des particules avec des spins non appariés, à savoir, électrons et radicaux. Un échantillon est placé dans un champ magnétique stable et exposé à un rayonnement micro-ondes. Un spectre ESR de l'échantillon est obtenu, à partir de laquelle des données sur sa structure chimique et ses propriétés peuvent être extraites. L'étalonnage absolu des spectres ESR en unités de perméabilité magnétique et l'analyse de la forme des raies spectrales ESR permettent aux scientifiques de trouver les paramètres spectroscopiques :facteur g (rapport gyromagnétique), largeur de ligne (temps de relaxation de spin), et magnétisation oscillante ou susceptibilité magnétique dynamique.

La VS dans l'hexaborure de cérium a été rapportée dans une étude antérieure par les mêmes auteurs. Ils ont développé une technique expérimentale unique capable de capter le signal ESR de l'hexaborure de cérium et de matériaux similaires. Les spectromètres ESR conventionnels sont souvent confrontés à des difficultés considérables pour détecter des signaux provenant de matériaux fortement corrélés.

Les résultats expérimentaux étaient inattendus. Pour une chose, leurs mesures ont montré que l'aimantation oscillante le long de la direction cristallographique [100] peut dépasser l'aimantation statique totale de l'échantillon. Cela va à l'encontre des attentes de bon sens (et des prédictions théoriques), puisque l'aimantation oscillante est théoriquement supposée être l'un des constituants du moment magnétique de l'échantillon, c'est à dire., elle doit être inférieure à l'aimantation totale. Selon les scientifiques, une façon simple d'expliquer ce résultat serait de dire qu'il y a d'autres, interactions inexpliquées entre les électrons libres et les électrons de la sous-couche 4f des ions cérium. Cette explication qualitative, cependant, doit être confirmé par d'autres calculs théoriques.

Un autre résultat inattendu de l'expérience est la corrélation entre les dépendances angulaires de la magnétorésistance et la largeur de la raie spectrale ESR par rapport au champ magnétique externe (sous la rotation de l'échantillon de cristal). La corrélation est remarquable, car les paramètres ci-dessus ont une nature physique complètement différente. Par conséquent, cette correspondance n'était pas prévue. Les auteurs de l'étude proposent l'explication suivante :étant donné que la largeur de la ligne ESR est largement déterminée par les fluctuations de spin, la valeur de la magnétorésistance du matériau peut également être dominée par la diffusion électronique en bande sur les fluctuations de spin.

Les mesures rapportées dans l'étude ont été rendues possibles grâce aux améliorations apportées à la conception des équipements introduites par Marat Gilmanov et Alexander Samarin, doctorants au MIPT travaillant sous la direction d'Alexey Semeno, chercheur principal à l'Institut de physique générale Prokhorov de l'Académie des sciences de Russie (GPI RAS), qui est également diplômé du MIPT.

« Nous avons atteint un plus grand degré de sensibilité et de stabilité pour cette classe de matériaux que tout autre expérimentateur dans le monde. Cela signifie que personne d'autre ne peut effectuer des mesures ESR de métaux fortement corrélés aussi précisément que possible. Et c'est notre équipement amélioré. qui nous permet de voir ce que les autres ne peuvent pas, " déclare le professeur Sergey Demishev du MIPT, qui dirige également le Département des basses températures et du génie cryogénique à l'Institut de physique générale de Prokhorov.