特徴的なスピン構造とスピン軌道相互作用を持った酸化物薄膜の作製と新奇量子相の探索

希土類元素(Ln)とIrを含むパイロクロア型酸化物Ln2Ir2O7は、Ir由来の強いスピン軌道相互作用と、結晶構造の幾何学的制約により、「all-in-all-out」と呼ばれる反強磁性秩序を持つ。この磁気秩序による時間反転対称性の破れから、Weyl半金属やドメイン壁状態といったトポロジカルな電子状態の出現が予言されており、これらはall-in-all-out秩序内の2種類の磁気ドメイン構造と結びついている。パイロクロア型の結晶(A2B2O7)では一般に、f-d相互作用によってカチオンが磁気的に結びついており、特にAサイトカチオンの磁気異方性が系の磁気応答に強く影響する。そこで、種々の磁気異方性を持ったLnイオンから成るLn2Ir2O7を作製し、それらの磁気輸送特性を比較することで、外部磁場による磁気ドメイン制御方法を探索した。まず、<111>方向に一軸異方性を持つTbイオンに着目した。磁気ドメイン反転に付随して現れる特徴的なヒステリシス構造が磁気抵抗に観測された。また、先行研究で報告されたNdとはf-d相互作用の符号が反対であることを示唆する結果を得た。次に、異方性のないGdイオンに着目し、磁気異方性の効果を検証した。磁気抵抗はヒステリシスを持たず、<111>方向の磁気異方性が外部磁場によるドメイン反転に本質的であることを明らかにした。一方でGdでは、2 K、9 Tの磁場下で90%を超える大きな負性磁気抵抗が観測された。非磁性のEuイオンを段階的にドープすると、この負性磁気抵抗が抑制され、Gdイオンの形成する分子場がIrモーメントに強い実効磁場を与えていることを明らかにした。これらの結果は、Lnイオンの選択によってf-d相互作用やドメイン反転に要する磁場の強さを制御可能であることを示しており、トポロジカルな磁壁状態を用いた次世代メモリの構築等に重要な知見である。

希土類元素(Ln)とIrを含むパイロクロア型酸化物Ln2Ir2O7は、Ir由来の強いスピン軌道相互作用と、結晶構造の幾何学的制約により、「all-in-all-out」と呼ばれる反強磁性秩序を持つ。この磁気秩序による時間反転対称性の破れから、Weyl半金属やドメイン壁状態といったトポロジカルな電子状態の出現が予言されており、これらはall-in-all-out秩序内の2種類の磁気ドメイン構造と結びついている。パイロクロア型の結晶(A2B2O7)では一般に、f-d相互作用によってカチオンが磁気的に結びついており、特にAサイトカチオンの磁気異方性が系の磁気応答に強く影響する。そこで、種々の磁気異方性を持ったLnイオンから成るLn2Ir2O7を作製し、それらの磁気輸送特性を比較することで、外部磁場による磁気ドメイン制御方法を探索した。まず、<111>方向に一軸異方性を持つTbイオンに着目した。磁気ドメイン反転に付随して現れる特徴的なヒステリシス構造が磁気抵抗に観測された。また、先行研究で報告されたNdとはf-d相互作用の符号が反対であることを示唆する結果を得た。次に、異方性のないGdイオンに着目し、磁気異方性の効果を検証した。磁気抵抗はヒステリシスを持たず、<111>方向の磁気異方性が外部磁場によるドメイン反転に本質的であることを明らかにした。一方でGdでは、2 K、9 Tの磁場下で90%を超える大きな負性磁気抵抗が観測された。非磁性のEuイオンを段階的にドープすると、この負性磁気抵抗が抑制され、Gdイオンの形成する分子場がIrモーメントに強い実効磁場を与えていることを明らかにした。これらの結果は、Lnイオンの選択によってf-d相互作用やドメイン反転に要する磁場の強さを制御可能であることを示しており、トポロジカルな磁壁状態を用いた次世代メモリの構築等に重要な知見である。