Cientistas do MIPT e de outros institutos de pesquisa e universidades descobriram fenômenos incomuns que ocorrem em um único hexaboreto de cério (CeB ₆ ) cristal. Ao realizar um experimento de ressonância de spin eletrônico (ESR), os pesquisadores confirmaram o status do material, que foi apelidado de "exceção às exceções, "já que seu comportamento desafia qualquer explicação em termos de modelos existentes e teorias convencionais. Os resultados da pesquisa foram publicados em Relatórios Científicos .

Apesar de 40 anos de estudo, o hexaboreto de cério ainda apresenta desafios de pesquisa devido às suas propriedades incomuns. É um composto que pertence à classe dos materiais fortemente correlacionados, ou seja, materiais cujas propriedades não podem ser descritas adequadamente sem levar em conta as interações entre os elétrons (também conhecido como correlação eletrônica). Muitas teorias foram propostas para explicar as propriedades físicas anômalas do hexaboreto de cério, mas todos eles se mostraram incapazes de prever os resultados dos experimentos de ESR. Pode ser que a teoria de ESR em sistemas fortemente correlacionados precise ser substancialmente melhorada para dar conta do comportamento excepcional do hexaboreto de cério.

A espectroscopia ESR é usada para estudar amostras que contêm partículas com spins desemparelhados, viz., elétrons e radicais. Uma amostra é colocada em um campo magnético constante e exposta à radiação de microondas. Um espectro ESR da amostra é obtido, a partir do qual dados sobre sua estrutura química e propriedades podem ser extraídos. A calibração absoluta dos espectros ESR em unidades de permeabilidade magnética e a análise da forma da linha espectral ESR permitem que os cientistas encontrem os parâmetros espectroscópicos:fator g (razão giromagnética), largura da linha (tempo de relaxamento do giro), e magnetização oscilante ou susceptibilidade magnética dinâmica.

ESR em hexaboride de cério foi relatado em um estudo anterior pelos mesmos autores. Eles desenvolveram uma técnica experimental única capaz de captar o sinal ESR do hexaboreto de cério e materiais semelhantes. Os espectrômetros ESR convencionais muitas vezes enfrentam dificuldades consideráveis ​​na detecção de sinais de materiais fortemente correlacionados.

Os resultados experimentais foram inesperados. Por uma coisa, suas medições mostraram que a magnetização oscilante ao longo da direção cristalográfica [100] pode exceder a magnetização estática total da amostra. Isso vai contra as expectativas do senso comum (e previsões teóricas), uma vez que a magnetização oscilante é teoricamente considerada um dos constituintes do momento magnético da amostra, ou seja, deve ser menor que a magnetização total. De acordo com os cientistas, uma maneira simples de explicar esse achado seria dizer que existem alguns interações não explicadas entre os elétrons livres e os elétrons na subcamada 4f dos íons de cério. Esta explicação qualitativa, Contudo, precisa ser confirmada por outros cálculos teóricos.

Outro resultado inesperado do experimento é a correlação entre as dependências angulares da magnetorresistência e a largura da linha espectral ESR em relação ao campo magnético externo (sob rotação da amostra de cristal). A correlação é notável, como os parâmetros acima têm uma natureza física completamente diferente. Portanto, esta correspondência não foi antecipada. Os autores do estudo oferecem a seguinte explicação:Uma vez que a largura da linha ESR é amplamente determinada pelas flutuações de rotação, o valor da magnetorresistência do material pode da mesma forma ser dominado pelo espalhamento de elétrons de banda em flutuações de spin.

As medições relatadas no estudo foram possíveis graças a melhorias no design do equipamento introduzidas por Marat Gilmanov e Alexander Samarin, alunos de doutorado do MIPT sob orientação de Alexey Semeno, pesquisador sênior do Prokhorov General Physics Institute da Russian Academy of Sciences (GPI RAS), que também se formou no MIPT.

"Alcançamos um maior grau de sensibilidade e estabilidade para esta classe de materiais do que qualquer outro experimentador no mundo. Isso significa que ninguém mais pode realizar medições ESR de metais fortemente correlacionados com a maior precisão possível. E é nosso equipamento aprimorado que nos permite ver o que outros não podem, "diz o professor Sergey Demishev do MIPT, que também chefia o Departamento de Baixas Temperaturas e Engenharia Criogênica no Prokhorov General Physics Institute.