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.
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 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.
