I superconduttori a base di ferro contengono strati di ferro e un pnictogeno – come arsenico o fosforo – o un calcogeno, come ossigeno o selenio. In precedenza respinti come candidati deboli per la superconduttività, i superconduttori a base di ferro hanno colto di sorpresa la comunità scientifica quando si è scoperto che la nuova famiglia dell'arseniuro di ferro aveva temperature di transizione molto elevate. Da allora questi superconduttori ad alta temperatura sono diventati un tema caldo di ricerca, con neutroni e muoni che giocano un ruolo essenziale nello studio delle loro proprietà insolite, per aiutare la fisica quantistica a sviluppare una teoria alla base dei materiali superconduttori ad alta temperatura.

Un team di ricercatori del Tokyo Institute of Technology, Università di Ibaraki, l'Institute of Materials Structure Science e la Graduate University of Advanced Studies (Giappone) hanno quindi unito le forze per studiare la struttura magnetica dei superconduttori a base di ferro presso l'Institut Laue-Langevin (ILL) al fine di approfondire la loro comprensione dei materiali quantistici.

Presso il principale centro mondiale per la scienza dei neutroni, il team di ricerca ha utilizzato il diffrattometro D20 per condurre un esperimento di diffrazione di neutroni al fine di studiare la struttura magnetica di ₁₅₄ SmFeAsO _{1 x} D _X . D20 ha una vasta gamma di applicazioni dalla termodiffrattometria, magnetismo e cinetica alla multi-stroboscopia, struttura, campioni altamente assorbenti, sistemi disordinati e fisisorbimento. Essendo un diffrattometro a 2 assi ad altissima intensità dotato di un grande rivelatore sensibile alla posizione, D20 fornisce agli scienziati informazioni da media ad alta risoluzione su campioni molto piccoli, fornendo valori molto precisi per la struttura atomica e/o magnetica del materiale. D20 può essere applicato per studiare solidi cristallini, liquidi o materiali amorfi e loro interazioni con i gas.

D20 consente agli scienziati di condurre esperimenti riproducibili con una misurazione di routine perfetta. Il suo potente raggio di neutroni consente l'osservazione del modello di diffrazione di qualsiasi campione di materia condensata. Verrà visualizzato un materiale con un ordine magnetico, in un esperimento di diffrazione di neutroni, un modello di diffrazione per la sua struttura nucleare (disposizione degli atomi) e struttura magnetica (la disposizione dei momenti magnetici trasportati da alcuni dei suoi atomi).

Nello studio, i ricercatori hanno sintetizzato campioni di SmFeAsO1-xHx con diverse variabili x a 1573 K (1300 C) e 5 GPa. Hanno anche preparato campioni sostituiti isotopicamente ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _X al fine di ridurre l'assorbimento di grandi neutroni di Sm naturale.

Dopo aver condotto l'esperimento di diffrazione di neutroni per ottenere modelli di diffrazione di ogni campione, gli scienziati hanno scoperto una nuova fase antiferromagnetica (AFM2) nel regime sovradrogato di elettroni di ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _X campioni con x ≥ 0,56, caratterizzato da un momento magnetico particolarmente elevato sui siti di ferro. Il momento magnetico su Fe in AFM2 raggiunge 2,73 µb/Fe, che è il più grande tra tutti gli antiferromagneti a base di ferro non drogati riportati finora. I calcoli teorici rivelano che ciò è dovuto alla frustrazione cinetica.

Prima di questo, si è ritenuto che il drogaggio pesante di elettroni riduca la forza di correlazione elettronica. Però, in questo studio, il drogaggio elettronico pesante tramite mezzi indiretti aumenta la forza di correlazione elettronica, fornendo una nuova prospettiva sulle proprietà del materiale superconduttivo ad alta temperatura. Questo sarà importante per il futuro dell'adattamento del doping all'interno di questi superconduttori per aumentare le applicazioni sul campo.