因有望應用於量子電腦等量子狀態的控制，量子自旋液近來備受關注。作爲能帶來這種量子自旋液的物質，銥離子呈蜂窩晶格狀排列的化合物在元件中的應用受到期待。
日本東北大學金屬材料研究所的副教授藤原宏平、研究生（當時）三浦徑、教授冢崎敦，與東京大學研究生院工學系研究科的柴田直哉教授等人組成的聯合研究團隊，成功合成了銥離子呈蜂窩晶格（圖1，B=Ir）狀排列的新型氧化物Mn–Ir–O的人工超結構。
圖1：蜂窩BO6晶格
這項研究的意義在於：（1）着眼於在真空成膜條件下也保持穩定晶體結構的鈦鐵礦型氧化物，成功合成了IrO6蜂窩晶格薄膜；（2）證明利用人工超結構技術，可以將真空成膜法作爲新物質合成技術使用。這項成果不僅能爲量子自旋液的物質開發提供新方法，還有助於利用薄膜樣本開發功能元件。
研究背景
與電子的旋轉運動相對應的自旋在固體中會形成鐵磁性和反鐵磁性等有序狀態（自旋方向一致的狀態），這種磁特性被用於各種元件（記憶體、感測器）。另一方面，自旋之間強烈相輔作用，但即使在極低溫度下也呈無序狀態的特殊狀態被稱爲量子自旋液，在磁物理可用能領域，這種狀態吸引了很多研究人員的興趣。
最近，隨着實施量子自旋液狀態的理論——Kitaev模式亮相，物質剝削競爭變得活躍起來。應用該模式的是由陰離子包圍的4價銥離子或3價釕離子（具有d5電子組態）構成的蜂窩狀晶格。在該指南下發現的塊體物質H3LiIr2O6和RuCl3，作爲量子自旋液的有力候選材料受到了全世界的關注。
量子自旋液未表現出磁序，在宏觀特性方面也沒有表現出獨特的性質，因此，此前在工學領域受到的關注不高。最近，有研究人員提出了將量子自旋液用於量子電腦的可能性，因而業界對將其應用於元件的期待迅速高漲。
研究成果
作爲不含H、Li和Cl等元素，且適合真空成膜工藝的一類物質，研究團隊着眼於鈦鐵礦型氧化物（圖2）。
圖2：鈦鐵礦型MnBO6的晶體結構。
鈦鐵礦型氧化物是組成式爲ABO3（A和B爲金屬陽離子，O爲氧陰離子，在此次的研究中，A爲Mn，B爲Ti和Ir）的穩定晶體結構之一，可利用真空成膜法形成薄膜。在最近利用塊體樣本進行的先行研究中，研究人員研究了鉛尖鈦鐵礦的ZnIrO3和MgIrO3等具有銥蜂窩晶格的物質，並發現存在與量子自旋液有關的磁相輔作用。
因此，研究團隊利用真空成膜法——脈衝雷射沉積法，以之前製備過的鈦鐵礦型MnTiO3（反鐵磁材料）爲基礎，試着合成了成分爲Mn–Ir–O的新鈦鐵礦型物質。鉛尖鈦鐵礦的Mn–Ir–O單體並不穩定，也不是天然存在的，但透過製備用MnTiO3薄膜夾住的人工超結構，成功地穩定了期待的結構。
利用原子級解析度的電子顯微鏡對其結構進行詳細解析應答，其晶體結構與鉛尖鈦鐵礦一致，具有銥離子的蜂窩狀晶格（圖3）。
圖3：製作的蜂窩狀人工晶格的示意圖與原子解析度電子顯微鏡影像。蜂窩狀晶格的原子排列的側視圖。右圖中央的明亮原子爲Ir。
此外，利用自旋電子學測量法得出的結果表明，在這種超薄薄膜Mn–Ir–O中，Mn的自旋處於無序的獨特磁狀態，這一點與表現出反鐵磁性的MnTiO3不同。
論文資訊
題目：Stabilization of a honeycomb lattice of IrO6 octahedra by formation of ilmenite-type superlattices in MnTiO3
期刊：Communications Materials
DOI：10.1038/s43246-020-00059-1
文：JST客觀日本編輯部
