Les supraconducteurs à base de fer contiennent des couches de fer et un pnictogène - comme l'arsenic ou le phosphore - ou un chalcogène, comme l'oxygène ou le sélénium. Auparavant rejeté comme candidats faibles pour la supraconductivité, les supraconducteurs à base de fer ont pris la communauté scientifique par surprise lorsqu'ils ont découvert que la nouvelle famille d'arséniure de fer avait des températures de transition très élevées. Depuis lors, ces supraconducteurs à haute température sont devenus un sujet de recherche brûlant, les neutrons et les muons jouant un rôle essentiel dans l'étude de leurs propriétés inhabituelles, afin d'aider la physique quantique à développer une théorie derrière les matériaux supraconducteurs à haute température.

Une équipe de chercheurs du Tokyo Institute of Technology, Université d'Ibaraki, l'Institute of Materials Structure Science et la Graduate University of Advanced Studies (Japon) se sont donc associés pour étudier la structure magnétique des supraconducteurs à base de fer à l'Institut Laue-Langevin (ILL) afin d'approfondir leur compréhension des matériaux quantiques.

Dans le centre phare mondial de la science neutronique, l'équipe de recherche a utilisé le diffractomètre D20 pour mener une expérience de diffraction des neutrons afin d'étudier la structure magnétique de 154 SmFeAsO 1 fois ré X . D20 a un large éventail d'applications de la thermodiffractométrie, magnétisme et cinétique à la multi-stroboscopie, texture, échantillons hautement absorbants, systèmes désordonnés et physisorption. Diffractomètre 2 axes à très haute intensité équipé d'un grand détecteur sensible à la position, D20 donne aux scientifiques des informations de moyenne à haute résolution sur de très petits échantillons, fournissant des valeurs très précises de la structure atomique et/ou magnétique du matériau. D20 peut être appliqué à l'étude des solides cristallins, liquides ou matériaux amorphes et leurs interactions avec les gaz.

Le D20 permet aux scientifiques de mener des expériences reproductibles avec une mesure de routine parfaite. Son puissant faisceau de neutrons permet d'observer le diagramme de diffraction de n'importe quel échantillon de matière condensée. Un matériau avec un ordre magnétique s'affichera, dans une expérience de diffraction des neutrons, un diagramme de diffraction pour sa structure nucléaire (arrangement des atomes) et sa structure magnétique (l'arrangement des moments magnétiques portés par certains de ses atomes).

Dans l'étude, les chercheurs ont synthétisé des échantillons de SmFeAsO1-xHx avec différentes variables x à 1573 K (1300 C) et 5 GPa. Ils ont également préparé des échantillons à substitution isotopique 154 SmFeAsO 1 fois ré X afin de réduire l'absorbance neutronique importante du Sm naturel.

Après avoir mené l'expérience de diffraction des neutrons pour obtenir des diagrammes de diffraction de chaque échantillon, les scientifiques ont découvert une nouvelle phase antiferromagnétique (AFM2) dans le régime surdopé aux électrons de 154 SmFeAsO 1 fois ré X échantillons avec x 0,56, présentant un moment magnétique particulièrement élevé sur les sites ferreux. Le moment magnétique sur Fe dans AFM2 atteint 2,73 µb/Fe, qui est le plus grand de tous les antiferromagnétiques non dopés à base de fer rapportés jusqu'à présent. Les calculs théoriques révèlent que cela est dû à une frustration cinétique.

Avant ça, le dopage électronique lourd avait été considéré pour réduire la force de corrélation électronique. Cependant, dans cette étude, le dopage électronique lourd via des moyens indirects améliore la force de corrélation électronique, offrant une nouvelle perspective sur les propriétés des matériaux supraconducteurs à haute température. Cela sera important pour l'avenir de l'adaptation du dopage au sein de ces supraconducteurs pour augmenter les applications dans le domaine.