Järnbaserade supraledare innehåller lager av järn och ett pniktogen – som arsenik eller fosfor – eller ett kalkogen, som syre eller selen. Tidigare avfärdad som svaga kandidater för supraledning, järnbaserade supraledare överraskade vetenskapssamhället när det upptäcktes att den nya järnarsenidfamiljen hade mycket höga övergångstemperaturer. Sedan dess har dessa högtemperatursupraledare blivit ett hett ämne för forskning, med neutroner och myoner som spelar en viktig roll för att undersöka deras ovanliga egenskaper, för att hjälpa kvantfysiken att utveckla en teori bakom supraledande material vid hög temperatur.

Ett team av forskare från Tokyo Institute of Technology, Ibaraki University, Institute of Materials Structure Science och Graduate University of Advanced Studies (Japan) gick därför samman för att studera den magnetiska strukturen hos järnbaserade supraledare vid Institut Laue-Langevin (ILL) för att fördjupa sin förståelse av kvantmaterial.

Vid världens flaggskeppscenter för neutronvetenskap, forskargruppen använde D20-diffraktometern för att genomföra ett neutrondiffraktionsexperiment för att studera den magnetiska strukturen hos ₁₅₄ SmFeAsO _{1 x} D _x . D20 har ett brett utbud av applikationer från termodiffraktometri, magnetism och kinetik till multistroboskopi, textur, mycket absorberande prover, störda system och fysisorption. Som en mycket högintensiv 2-axlig diffraktometer utrustad med en stor positionskänslig detektor, D20 ger forskare medel- till högupplöst information om mycket små prover, ger mycket exakta värden för materialets atomära och/eller magnetiska struktur. D20 kan användas för att studera kristallina fasta ämnen, vätskor eller amorfa material och deras interaktioner med gaser.

D20 tillåter forskare att utföra reproducerbara experiment med en perfekt rutinmätning. Dess kraftfulla neutronstråle tillåter observation av alla kondenserade materialprovs diffraktionsmönster. Ett material med en magnetisk ordning kommer att visas, i ett neutrondiffraktionsexperiment, ett diffraktionsmönster för dess kärnstruktur (arrangemang av atomer) och magnetiska struktur (arrangemanget av magnetiska moment som bärs av några av dess atomer).

I studien, forskarna syntetiserade prover av SmFeAsO1-xHx med olika x-variabler vid 1573 K (1300 C) och 5 GPa. De preparerade också isotopiskt substituerade prover ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _x för att minska stor neutronabsorbans av naturlig Sm.

Efter att ha utfört neutrondiffraktionsexperimentet för att erhålla diffraktionsmönster för varje prov, forskarna upptäckte en ny antiferromagnetisk (AFM2) fas i den elektronöverdopade regimen av ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _x prover med x ≥ 0,56, med ett särskilt högt magnetiskt moment på järnplatserna. Det magnetiska momentet på Fe i AFM2 når 2,73 µb/Fe, vilket är störst av alla icke-dopade järnbaserade antiferromagneter som hittills rapporterats. De teoretiska beräkningarna visar att detta beror på kinetisk frustration.

Före detta, tung elektrondopning hade ansetts minska elektronkorrelationsstyrkan. Dock, i den här studien, tung elektrondopning via indirekta medel förbättrar elektronkorrelationsstyrkan, ger ett nytt perspektiv på egenskaperna hos högtemperaturs superledande material. Detta kommer att vara viktigt för framtidens anpassning av dopning inom dessa supraledare för att öka användningen inom området.