Où sont les atomes et comment bougent-ils ? Les différentes techniques neutroniques répondent à ces questions fondamentales pour comprendre les propriétés physiques et de la réactivité chimique de la matière condensée : structures ordonnées (cristallographie, dynamique de réseau, magnétisme, supraconductivité) ; milieux désordonnés, verres, liquides ; matière molle ; métallurgie, matériaux, chimie du solide ; l’eau et le vivant ; physique corpusculaire et ondulatoire ; neutronographie et activation nucléaire .

Les spectroscopies neutroniques permettent de sonder la structure et la dynamique de la matière sur plusieurs échelles de distances et d’énergie. Les longueurs d’onde des neutrons, continûment accessibles de 0.3 Å à 20 Å, permettent de sonder les structures sur des portées d’ordre variant de 1 Å (échelle des liaisons intramoléculaires) à 1000 Å (gros édifices moléculaires). L’énergie associée de ces neutrons variant de 1000 meV  à 0.2 meV (*), permet d’explorer les excitations, telles celles des mouvements collectifs ou individuels, dans des domaines d’énergie variant de l’ infrarouge lointain aux radiofréquences.

Les neutrons présentent des propriétés spécifiques qui en font un outil complémentaire aux RX et au rayonnement synchrotron :

• particules neutres, les neutrons ont un grand pouvoir de pénétration dans la matière et permettent l’étude de matériaux massifs ;
• les neutrons sont principalement diffusés par les noyaux de la cible-échantillon et sont très peu sensibles au nuage électronique. La caractéristique de cette interaction nucléaire, est de varier irrégulièrement –contrairement aux Rayons X - d’un élément chimique à un autre, mais aussi entre deux isotopes d’un même élément. Utilisant cette propriété, la méthode dite de « variation de contraste  par substitution isotopique» permet de « voir » sélectivement un constituant de l'échantillon. Citons, par exemple, la forte sensibilité des neutrons aux positions et aux mouvements des atomes d’hydrogène et la différence importante de contraste obtenue par substitution hydrogène/deutérium, qui permet d’isoler spécifiquement les interactions des protons avec leur environnement ;
• le fait que le neutron porte un spin introduit une seconde interaction, magnétique, qui permet d’étudier, outre les propriétés liées aux positions et aux mouvements des atomes, celles qui reflètent la structure et la dynamique de leurs moments magnétiques. Les neutrons sont ainsi un outil irremplaçable pour l’étude du magnétisme des matériaux.

(*) 1 meV : 8 cm^-1 <—> 11.6 K <—> 0.24 THz