ILL D20s neutronstråle giver vigtige spor til superledningens ukonventionelle oprindelse

Jernbaserede superledere indeholder lag af jern og et pnictogen-såsom arsen eller fosfor-eller et chalcogen, som ilt eller selen. Tidligere afvist som svage kandidater til superledning, jernbaserede superledere overraskede videnskabssamfundet, da det blev opdaget, at den nye jernarsenidfamilie havde meget høje overgangstemperaturer. Siden da er disse høj-temperatur superledere blevet et varmt forskningsemne, med neutroner og muoner, der spiller en væsentlig rolle i undersøgelsen af ​​deres usædvanlige egenskaber, for at hjælpe kvantefysikken med at udvikle en teori bag højtemperatur superledende materialer.

Et team af forskere fra Tokyo Institute of Technology, Ibaraki Universitet, Institute of Materials Structure Science og Graduate University of Advanced Studies (Japan) gik derfor sammen om at studere den magnetiske struktur af jernbaserede superledere ved Institut Laue-Langevin (ILL) for at uddybe deres forståelse af kvantematerialer.

På verdens flagskibscenter for neutronvidenskab, forskergruppen brugte D20 diffraktometer til at udføre et neutrondiffraktionseksperiment for at studere den magnetiske struktur af ₁₅₄ SmFeAsO _{1 x} D _x . D20 har en bred vifte af applikationer fra termodiffraktometri, magnetisme og kinetik til multi-stroboskopi, struktur, stærkt absorberende prøver, uordnede systemer og fysisorption. Som et meget højintensivt 2-akset diffraktometer udstyret med en stor positionsfølsom detektor, D20 giver forskere mellem- til højopløsningsinformation om meget små prøver, tilvejebringelse af meget præcise værdier for atomets og/eller magnetiske struktur af materialet. D20 kan anvendes til undersøgelse af krystallinske faste stoffer, væsker eller amorfe materialer og deres interaktioner med gasser.

D20 giver forskere mulighed for at udføre reproducerbare eksperimenter med en perfekt rutinemåling. Dens kraftfulde neutronstråle tillader observation af ethvert kondenseret stofs diffraktionsmønster. Et materiale med en magnetisk ordre vil vise, i et neutrondiffraktionsforsøg, et diffraktionsmønster for dets nukleare struktur (arrangement af atomer) og magnetisk struktur (arrangementet af magnetiske øjeblikke båret af nogle af dets atomer).

I undersøgelsen, forskerne syntetiserede prøver af SmFeAsO1-xHx med forskellige x-variabler ved 1573 K (1300 C) og 5 GPa. De fremstillede også isotopisk substituerede prøver ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _x for at reducere stor neutronabsorbering af naturlig Sm.

Efter at have udført neutrondiffraktionsforsøget for at opnå diffraktionsmønstre for hver prøve, forskerne opdagede en ny antiferromagnetisk (AFM2) fase i elektron-overdopet regime af ₁₅₄ SmFeAsO _1-x D _x prøver med x ≥ 0,56, med et særligt højt magnetisk moment på jernstederne. Det magnetiske moment på Fe i AFM2 når 2,73 µb/Fe, som er den største i alle ikke-dopede jernbaserede antiferromagneter rapporteret hidtil. De teoretiske beregninger afslører, at dette skyldes kinetisk frustration.

Før dette, tung elektrondoping var blevet anset for at reducere elektronkorrelationsstyrken. Imidlertid, i dette studie, tung elektrondoping via indirekte midler øger elektronkorrelationsstyrken, giver et nyt perspektiv på egenskaberne ved højtemperatur superledende materiale. Dette vil være vigtigt for fremtiden med at tilpasse doping inden for disse superledere for at øge applikationer i feltet.