因有望应用于量子计算机等量子状态的控制，量子自旋液近来备受关注。作为能带来这种量子自旋液的物质，铱离子呈蜂窝晶格状排列的化合物在元件中的应用受到期待。
日本东北大学金属材料研究所的副教授藤原宏平、研究生（当时）三浦径、教授冢崎敦，与东京大学研究生院工学系研究科的柴田直哉教授等人组成的联合研究团队，成功合成了铱离子呈蜂窝晶格（图1，B=Ir）状排列的新型氧化物Mn–Ir–O的人工超晶格。
图1：蜂窝BO6晶格
这项研究的意义在于：（1）着眼于在真空成膜条件下也保持稳定晶体结构的钛铁矿型氧化物，成功合成了IrO6蜂窝晶格薄膜；（2）证明利用人工超晶格技术，可以将真空成膜法作为新物质合成技术使用。这项成果不仅能为量子自旋液的物质开发提供新方法，还有助于利用薄膜样本开发功能元件。
研究背景
与电子的旋转运动相对应的自旋在固体中会形成铁磁性和反铁磁性等有序状态（自旋方向一致的状态），这种磁特性被用于各种元件（存储器、传感器）。另一方面，自旋之间强烈相互作用，但即使在极低温度下也呈无序状态的特殊状态被称为量子自旋液，在磁物理领域，这种状态吸引了很多研究人员的兴趣。
最近，随着实现量子自旋液状态的理论——Kitaev模型亮相，物质开发竞争变得活跃起来。应用该模型的是由阴离子包围的4价铱离子或3价钌离子（具有d5电子构型）构成的蜂窝状晶格。在该指南下发现的块体物质H3LiIr2O6和RuCl3，作为量子自旋液的有力候选材料受到了全世界的关注。
量子自旋液未表现出磁序，在宏观特性方面也没有表现出独特的性质，因此，此前在工学领域受到的关注不高。最近，有研究人员提出了将量子自旋液用于量子计算机的可能性，因而业界对将其应用于元件的期待迅速高涨。
研究成果
作为不含H、Li和Cl等元素，且适合真空成膜工艺的一类物质，研究团队着眼于钛铁矿型氧化物（图2）。
图2：钛铁矿型MnBO6的晶体结构。
钛铁矿型氧化物是组成式为ABO3（A和B为金属阳离子，O为氧阴离子，在此次的研究中，A为Mn，B为Ti和Ir）的稳定晶体结构之一，可利用真空成膜法形成薄膜。在最近利用块体样本进行的先行研究中，研究人员研究了钛铁矿结构的ZnIrO3和MgIrO3等具有铱蜂窝晶格的物质，并发现存在与量子自旋液有关的磁相互作用。
因此，研究团队利用真空成膜法——脉冲激光沉积法，以之前制备过的钛铁矿型MnTiO3（反铁磁材料）为基础，试着合成了成分为Mn–Ir–O的新钛铁矿型物质。钛铁矿结构的Mn–Ir–O单体并不稳定，也不是天然存在的，但通过制备用MnTiO3薄膜夹住的人工超晶格，成功地稳定了期待的结构。
利用原子级分辨率的电子显微镜对其结构进行详细解析确认，其晶体结构与钛铁矿结构一致，具有铱离子的蜂窝状晶格（图3）。
图3：制作的蜂窝状人工晶格的示意图与原子分辨率电子显微镜图像。蜂窝状晶格的原子排列的侧视图。右图中央的明亮原子为Ir。
此外，利用自旋电子学测量法得出的结果表明，在这种超薄薄膜Mn–Ir–O中，Mn的自旋处于无序的独特磁状态，这一点与表现出反铁磁性的MnTiO3不同。
论文信息
题目：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客观日本编辑部
