В гексабориде самария обнаружили не имеющий теоретического объяснения феномен

Физикам из МФТИ, Института общей физики РАН, НИУ ВШЭ и Института проблем материаловедения НАНУ (Украина) впервые удалось зарегистрировать необычный магнитный резонанс в гексабориде самария — материале, имеющем большие перспективы для спиновой электроники. Соответствующая статья опубликована в Scientific Reports.Топологический изолятор — это материал, который в своей толще является изолятором (или полупроводником), а вот его поверхность при этом хорошо проводит электрический ток. Один из самых интересных топологических изоляторов — это гексаборид самария SmB₆. При комнатной температуре он проводит ток, как металл, но ниже температуры 50 K (-223 по Цельсию) гексаборид самария превращается в полупроводник со сравнительно узкой запрещенной зоной — областью значений энергии, которыми не может обладать электрон в кристалле, — шириной всего двадцать миллиэлектронвольт (в обычных полупроводниках ширина запрещенной зоны в сотни раз больше). Чем шире запрещенная зона и чем ниже температура, тем меньше в полупроводнике свободных электронов и тем хуже он проводит ток.Однако при приближении к абсолютному нулю (-273,16 по Цельсию) удельное сопротивление гексаборида самария постепенно перестает зависеть от температуры. Коэффициент Зеебека, определяемый соотношением термоэлектрического напряжения и разницы температур между горячим и холодным концами образца, при этом стремится к нулю. Такое резкое изменение свойств гексаборида самария наблюдается при температуре порядка пяти градусов Кельвина. Подобное поведение нетипично ни для металлов, ни для обычных полупроводников.В настоящее время физики уверены, что необычное поведение SmB₆ определяют поверхностные, топологические свойства материала. Доказать существование топологических состояний достаточно просто: поверхностные электроны, определяющие проводимость материала при наличии в нем топологических состояний, устойчивы к немагнитным дефектам поверхности и «разрушаются» магнитными примесями. До сих пор считалось, что в гексабориде самария без каких-либо посторонних примесей магнитные центры отсутствуют.
Гексаборид самария. Изображение: пресс-служба МФТИ. Авторы новой работы решили проверить эту гипотезу в серии экспериментов. Чтобы отличить объемные эффекты от поверхностных, ученые взяли два образца гексаборида самария: один из них был отполирован до зеркального блеска, а другой подвергнут химическому травлению (нанесению шероховатостей). Таким образом были достигнуты разные поверхностные состояния, что позволило точно отделить свойства, которым материал обязан им, от свойств его толщи.В результате оказалось, что микроволновая проводимость материала демонстрирует совершенно неожиданное поведение. Чтобы определить ее, ученые возбуждали в небольшой полости в объеме материала (резонаторе) электромагнитные колебания с частотой 60 гигагерц и измеряли долю энергии, поглощенной образцом. Из-за высокой проводимости поверхности поле проникало недостаточно глубоко внутрь образца, и объемное поглощение оказывалось пренебрежимо малым. Схема эксперимента. Изображение: пресс-служба МФТИ. Так, при температуре около 4 К в объеме поглощалось менее двух процентов микроволновой энергии, в результате чего «работал» только тонкий поверхностный слой. Несмотря на то что зеркальная поверхность поглощала энергию сильнее травленой (шероховатой), в обоих случаях «металлическое» поведение поверхностного слоя сохранялось. Причем микроволновая проводимость поверхности SmB₆ с понижением температуры росла. Такое «классическое» поведение проводимости характерно для традиционных металлов и ранее для гексаборида самария никогда не наблюдалось.Однако наибольший сюрприз преподнесли результаты измерений микроволнового поглощения в магнитном поле. И для травленой, и для полированной поверхности сигнал парамагнитного резонанса наблюдался исключительно при температурах ниже 5 К, причем амплитуда сигнала увеличивалась, как у ферромагнетиков с критической температурой T*~ 5 K. Такую зависимость нельзя объяснить обычными магнитными примесями («грязью») в образце, поскольку в этом случае сигнал магнитного резонанса должен быть наблюдаем и при температурах, значительно превышающих критическую.Такое поведение было бы нормально, если бы в гексабориде самария наблюдался низкотемпературный магнитный переход в ферромагнетике. Однако ферромагнетик — это концентрированная магнитная система, а в гексабориде самария доля магнитных центров не превышает нескольких сотых процента от числа ионов самария — ничего похожего на концентрированную магнитную систему. Наблюдаемый переход в столь «разбавленной» магнитной системе очень трудно объяснить теоретически.