Research and control of various magnetic orders in ilmenite-type titanate artificial superlattices

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イルメナイト型反強磁性体ATiO3 (A = Mn, Fe, Co, Ni)は、同型の結晶構造を持ちながら多様な反強磁性秩序を形成するため、本課題の対象物質に適している。本課題では、始めに、ATiO3の単結晶薄膜試料を実現するために、パルスレーザー堆積法による薄膜堆積実験を実施した。まず、MnTiO3について、基板の温度や蒸着源に照射するレーザー強度などの堆積条件を最適化し、イルメナイト型構造の単結晶薄膜が成長する条件を確立した。次に、MnTiO3で求めた堆積条件のもとで、ATiO3 (A = Fe, Co, Ni)の堆積実験を実施したところ、全ての物質でイルメナイト型構造が成長することが分かった。以上の実験結果により、多様な反強磁性秩序を有するイルメナイト型ATiO3 (A = Mn, Fe, Co, Ni)薄膜の合成方法が確立され、これらの物質を用いて人工超格子やヘテロ構造を作製する準備が整った。また、イルメナイト型構造をもつ新奇量子磁性体候補物質であるMgIrO3の実現を目標に、Mg-Ir-O薄膜の堆積実験を実施した。堆積条件を変調して堆積したMg-Ir-O薄膜を比較したところ、多くの堆積条件で、MgOおよびIr（またはIrO2）からなる混合多結晶薄膜が形成されることが分かった。当初の目標であったイルメナイト型MgIrO3が主相として成長する堆積条件を見つけることはできなかったものの、特定の堆積条件で、先行研究で報告されていない新規Mg-Ir-O結晶相が成長することを発見した。電子顕微鏡での観察や結晶学的考察によって、新規Mg-Ir-O結晶相を、陽イオン秩序が乱れた逆スピネル型Mg2IrO4と推定した。