Российские и украинские ученые выявили в этом перспективном материале неожиданный эффект подавления.

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.

В настоящее время физики уверены, что необычное поведение SmB6определяют 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.

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.

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 поверхностей 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.