Физикам из России и Украины удалось впервые зарегистрировать наличие магнитных центров в кристалле гексаборида самария — материала, перспективного для спиновой электроники. Ранее считалось, что это возможно только при наличии особых магнитных примесей. Результаты исследования опубликованы в Scientific Reports.

Топологический изолятор сочетает в себе свойства проводников и диэлектриков – он хорошо проводит ток только на своей поверхности, а внутри остается непроводящим. Получить информацию о структуре кристаллической решетки на поверхности такого материала и наличии примесей можно с помощью явления парамагнитного резонанса (поглощения материалом электромагнитного излучения). Ученые из Московского физико-технического института, Института общей физики им. А. М. Прохорова РАН, ВШЭ и Института проблем материаловедения им. И.Н. Францевича НАНУ (Украина) исследовали топологический изолятор гексаборид самария SmB6 и впервые зарегистрировали в нем явление парамагнитного резонанса.

Если поместить магнит в электромагнитное поле, электроны в нем будут поглощать часть излучения и расходовать эту энергию на изменение своего магнитного состояния. При совпадении частоты излучения и внутренних магнитных характеристик поглощение резко увеличивается – возникает парамагнитный резонанс. Измерив величину этого резонанса, можно делать выводы о наличии в том или ином материале магнитных центров. До сих пор считалось, что в топологическом изоляторе SmB6 без примесей магнитные центры отсутствуют. Группа ученых решила проверить эту гипотезу в серии экспериментов.

Кристаллическая решетка гексаборида самария, атомная структура поверхности, свойства которой изучались в экспериментах по магнитному резонансу.

Исследователи поместили экспериментальный образец микроволновое электромагнитное поле, а затем с помощью установки с очень высокой чувствительностью зафиксировали явление парамагнитного резонанса. Результаты эксперимента позволили сделать вывод о том, что на поверхности образца есть магнитные центры даже в отсутствие примесей. Сигнал парамагнитного резонанса наблюдался исключительно при температурах ниже —273 ℃, причем его амплитуда увеличивалась при понижении температуры по закону, характерному для ферромагнетиков (железа, никеля, кобальта).

Схема резонатора для измерения магнитного резонанса на частоте 60 ГГц. Синим прямоугольником показан монокристалл гексаборида самария, стрелка соответствует кристаллографическому направлению [110] образца. Стрелками вверху показаны направления потока микроволнового излучения в подводящих волноводах. TE011 обозначает моду электромагнитного поля в резонаторе, на которой велись измерения. Длинная стрелка показывает направление магнитного поля. Пресс-служба МФТИ по рисунку авторов статьи

Такую зависимость нельзя объяснить обычными магнитными примесями в образце, поскольку в этом случае сигнал магнитного резонанса должен сохраняться и при температурах, значительно превышающих критическую. В дальнейших исследованиях ученые надеются найти теоретическое объяснение этому необычному явлению.