Wetenschappers van het MIPT en andere onderzoeksinstituten en universiteiten hebben ongewone verschijnselen ontdekt die optreden in een enkele ceriumhexaboride (CeB ₆ ) kristal. Door een experiment met elektronenspinresonantie (ESR) uit te voeren, de onderzoekers bevestigden de status van het materiaal, die een "uitzondering op uitzonderingen is genoemd, omdat zijn gedrag elke verklaring tart in termen van bestaande modellen en conventionele theorieën. De onderzoeksresultaten werden gepubliceerd in Wetenschappelijke rapporten .

Ondanks 40 jaar studie, ceriumhexaboride biedt nog steeds onderzoeksuitdagingen vanwege zijn ongebruikelijke eigenschappen. Het is een verbinding die behoort tot de klasse van sterk gecorreleerde materialen, d.w.z., materialen waarvan de eigenschappen niet adequaat kunnen worden beschreven zonder rekening te houden met de interacties tussen elektronen (ook bekend als elektronische correlatie). Er zijn veel theorieën voorgesteld om de afwijkende fysische eigenschappen van ceriumhexaboride te verklaren, maar ze bleken allemaal niet in staat om de resultaten van ESR-experimenten te voorspellen. Het kan zijn dat de theorie van ESR in sterk gecorreleerde systemen aanzienlijk moet worden verbeterd om het uitzonderlijke gedrag van ceriumhexaboride te verklaren.

ESR-spectroscopie wordt gebruikt om monsters te bestuderen die deeltjes bevatten met ongepaarde spins, namelijk, elektronen en radicalen. Een monster wordt in een stabiel magnetisch veld geplaatst en blootgesteld aan microgolfstraling. Een ESR-spectrum van het monster wordt verkregen, waaruit gegevens over de chemische structuur en eigenschappen kunnen worden geëxtraheerd. Absolute kalibratie van ESR-spectra in eenheden van magnetische permeabiliteit en ESR-spectraallijnvormanalyse stellen wetenschappers in staat om de spectroscopische parameters te vinden:g-factor (gyromagnetische verhouding), lijnbreedte (spin-relaxatietijd), en oscillerende magnetisatie of dynamische magnetische gevoeligheid.

ESR in ceriumhexaboride werd gerapporteerd in een eerdere studie door dezelfde auteurs. Ze ontwikkelden een unieke experimentele techniek die in staat is om het ESR-signaal van ceriumhexaboride en soortgelijke materialen op te pikken. Conventionele ESR-spectrometers hebben vaak grote problemen met het detecteren van signalen van sterk gecorreleerde materialen.

De experimentele bevindingen waren onverwacht. Voor een ding, hun metingen toonden aan dat de oscillerende magnetisatie langs de [100] kristallografische richting de totale statische magnetisatie van het monster kan overschrijden. Dit druist in tegen de verwachtingen van het gezond verstand (en theoretische voorspellingen), aangezien oscillerende magnetisatie theoretisch wordt verondersteld een van de bestanddelen van het magnetische moment van het monster te zijn, d.w.z., het moet kleiner zijn dan de totale magnetisatie. Volgens de wetenschappers een eenvoudige manier om deze bevinding uit te leggen zou zijn om te zeggen dat er enkele aanvullende, onverklaarde interacties tussen vrije elektronen en de elektronen in de 4f-subschil van ceriumionen. Deze kwalitatieve verklaring, echter, moet worden bevestigd door verdere theoretische berekeningen.

Een ander onverwacht resultaat van het experiment is de correlatie tussen de hoekafhankelijkheid van de magnetoweerstand en de ESR-spectraallijnbreedte met betrekking tot het externe magnetische veld (onder rotatie van het kristalmonster). De correlatie is opmerkelijk, omdat de bovenstaande parameters een heel ander fysiek karakter hebben. Daarom, deze correspondentie was niet voorzien. De auteurs van de studie bieden de volgende verklaring:aangezien de ESR-lijnbreedte grotendeels wordt bepaald door spinfluctuaties, de waarde van de magnetoweerstand van het materiaal kan eveneens worden gedomineerd door bandelektronenverstrooiing op spinfluctuaties.

De metingen die in het onderzoek zijn gerapporteerd, zijn mogelijk gemaakt dankzij verbeteringen aan het ontwerp van de apparatuur die zijn geïntroduceerd door Marat Gilmanov en Alexander Samarin, promovendi bij MIPT werken onder supervisie van Alexey Semeno, een senior research fellow bij Prokhorov General Physics Institute van de Russische Academie van Wetenschappen (GPI RAS), die ook afstudeerde aan het MIPT.

"We hebben een grotere mate van gevoeligheid en stabiliteit bereikt voor deze klasse materialen dan alle andere onderzoekers ter wereld. Dit betekent dat niemand anders ESR-metingen van sterk gecorreleerde metalen zo nauwkeurig kan uitvoeren als wij kunnen. En het is onze verbeterde apparatuur die ons in staat stelt te zien wat anderen niet kunnen zien, " zegt MIPT's Prof. Sergey Demishev, die ook hoofd is van de afdeling Lage Temperaturen en Cryogene Engineering aan het Prokhorov General Physics Institute.