Scienziati del MIPT e di altri istituti di ricerca e università hanno scoperto fenomeni insoliti che si verificano in un singolo esaboruro di cerio (CeB ₆ ) cristallo. Eseguendo un esperimento di risonanza di spin elettronico (ESR), i ricercatori hanno confermato lo stato del materiale, che è stato soprannominato "un'eccezione alle eccezioni, " poiché il suo comportamento sfida ogni spiegazione in termini di modelli esistenti e teorie convenzionali. I risultati della ricerca sono stati pubblicati in Rapporti scientifici .

Nonostante 40 anni di studio, l'esaboruro di cerio presenta ancora sfide di ricerca a causa delle sue proprietà insolite. È un composto che appartiene alla classe dei materiali fortemente correlati, cioè., materiali le cui proprietà non possono essere descritte adeguatamente senza tenere conto delle interazioni tra gli elettroni (nota anche come correlazione elettronica). Molte teorie sono state proposte per spiegare le proprietà fisiche anomale dell'esaboruro di cerio, ma tutti si sono dimostrati incapaci di prevedere i risultati degli esperimenti ESR. Potrebbe essere il caso che la teoria dell'ESR in sistemi fortemente correlati debba essere sostanzialmente migliorata per tenere conto dell'eccezionale comportamento dell'esaboruro di cerio.

La spettroscopia ESR viene utilizzata per studiare campioni che contengono particelle con spin spaiati, cioè., elettroni e radicali. Un campione viene posto in un campo magnetico stabile ed esposto a radiazioni a microonde. Si ottiene uno spettro ESR del campione, da cui si possono estrarre dati sulla sua struttura chimica e le sue proprietà. La calibrazione assoluta degli spettri ESR in unità di permeabilità magnetica e l'analisi della forma della linea spettrale ESR consentono agli scienziati di trovare i parametri spettroscopici:fattore g (rapporto giromagnetico), larghezza della linea (tempo di rilassamento della rotazione), e magnetizzazione oscillante o suscettività magnetica dinamica.

La VES nell'esaboruro di cerio è stata riportata in uno studio precedente dagli stessi autori. Hanno sviluppato una tecnica sperimentale unica in grado di rilevare il segnale ESR dall'esaboruro di cerio e materiali simili. Gli spettrometri ESR convenzionali spesso incontrano notevoli difficoltà nel rilevare segnali da materiali fortemente correlati.

I risultati sperimentali erano inaspettati. Per una cosa, le loro misurazioni hanno mostrato che la magnetizzazione oscillante lungo la direzione cristallografica [100] può superare la magnetizzazione statica totale del campione. Ciò è contrario alle aspettative del senso comune (e alle previsioni teoriche), poiché teoricamente si suppone che la magnetizzazione oscillante sia uno dei costituenti del momento magnetico del campione, cioè., deve essere inferiore alla magnetizzazione totale. Secondo gli scienziati, un modo semplice per spiegare questa scoperta sarebbe dire che ci sono alcuni ulteriori, interazioni non spiegate tra gli elettroni liberi e gli elettroni nella subshell 4f degli ioni cerio. Questa spiegazione qualitativa, però, deve essere confermato da ulteriori calcoli teorici.

Un altro risultato inaspettato dell'esperimento è la correlazione tra le dipendenze angolari della magnetoresistenza e l'ampiezza della linea spettrale ESR rispetto al campo magnetico esterno (sotto rotazione del campione di cristallo). La correlazione è notevole, in quanto i parametri di cui sopra hanno una natura fisica completamente diversa. Perciò, questa corrispondenza non era prevista. Gli autori dello studio offrono la seguente spiegazione:poiché la larghezza della linea ESR è in gran parte determinata dalle fluttuazioni di spin, anche il valore della magnetoresistenza del materiale può essere dominato dalla diffusione di elettroni a banda sulle fluttuazioni di spin.

Le misurazioni riportate nello studio sono state rese possibili grazie a miglioramenti al design dell'attrezzatura introdotti da Marat Gilmanov e Alexander Samarin, dottorandi al MIPT che lavorano sotto la supervisione di Alexey Semeno, un ricercatore senior presso l'Istituto di fisica generale Prokhorov dell'Accademia delle scienze russa (GPI RAS), che si è anche laureato al MIPT.

"Abbiamo raggiunto un maggior grado di sensibilità e stabilità per questa classe di materiali rispetto a qualsiasi altro sperimentatore al mondo. Ciò significa che nessun altro può eseguire misurazioni ESR di metalli fortemente correlati nel modo più accurato possibile. Ed è la nostra attrezzatura migliorata che ci permette di vedere ciò che gli altri non possono, " afferma il prof. Sergey Demishev del MIPT, che dirige anche il Dipartimento di basse temperature e ingegneria criogenica presso l'Istituto di fisica generale Prokhorov.