大阪大学大学院理学研究科物理学専攻の太田智陽さん（研究当時：博士後期課程3年、現：東京大学物性研究所　助教）、先導的学際研究機構スピン学際研究部門の近藤浩太准教授（研究開始当時、理化学研究所　上級研究員）は、同大学院理学研究科の新見康洋教授のグループ・東京大学物性研究所の大谷義近教授のグループ・沖縄科学技術大学院大学量子物質科学ユニットの岡田佳憲准教授のグループと共同で、特殊な薄膜結晶を持つ磁石Fe₅GeTe₂(FGT)において、電流をスピンの流れに変換する「スピンホール効果」が、FGTの磁性の発現にともなって急激に増大することを、スピントルク強磁性共鳴法と呼ばれる手法を用いて明らかにしました。

スピンホール効果は物性物理学における基本的な現象の一つです。電流を磁石の性質を持つ「スピン」の流れであるスピン流へと変換できます。スピン流は磁性体の磁化を効率的に制御できることから、次世代の不揮発性磁気メモリなど、省エネでかつ超高速なデバイスにおける駆動原理として注目されています。

今回、共同研究グループは、ファンデルワールス強磁性体(FGT)・銅・強磁性金属(パーマロイ)を積層した薄膜素子を作製し（図１左）、スピントルク強磁性共鳴法によりFGTのスピンホール効果を評価しました(図1右)。その結果、FGTがキュリー温度TC(約310K)を下回り磁石としての性質を持ち始めると同時にスピンホール効果が急激に強まり（図２左）、低温では白金(Pt)やタングステン(W)に匹敵する変換効率が得られることを明らかにしました（図２右）。

さらに研究グループは、測定温度を系統的に変化させることで、FGTが常磁性から強磁性へと磁気相が変化する際に、変換効率が約1桁変化することを見出しました（図２）。この結果は、物質のもつ磁性とスピンホール効果の興味深い相関を示唆するだけでなく、磁気相転移を活用した新たな磁気メモリデバイスの機能発現の道を拓くものです。

本研究成果は、米国科学誌「Physical Review Materials」に、Editors’ Suggestionとして、2026年9月9日（水）午前3時（日本時間）に公開されました。

図1. (左)ファンデルワールス強磁性体Fe₅GeTe₂(FGT)を用いた電流-スピン流変換デバイスの模式図。スピントルク強磁性共鳴法を用いてスピンホール効果による電流-スピン流変換を実証した。(右) 高周波電力の周波数による共鳴スペクトルの変化。測定はキュリー温度以下の300 Kで行われた。

図2. （左）スピン変換効率の温度依存性。キュリー温度以下で変換効率の顕著な増大が観測された。（右）ファンデルワールス強磁性体のスピンホール材料としての評価。従来のスピンホール材料に匹敵するスピンホール伝導度を示した。

電流を磁石の性質を持つ「スピン」の流れに変換する「スピンホール効果」を利用することで、電流を流すだけで磁石の向きや性能を制御することができます。この技術は、次世代の不揮発性磁気メモリなど、省エネで高速なデバイスの実現に向けた鍵として注目されています。

スピンホール効果は、これまで白金(Pt)やタングステン(W)のような、磁石の性質を持たない非磁性遷移金属を用いて実験的検証がなされてきました。近年では、遷移金属ダイカルコゲナイドなどの非磁性のファンデルワールス物質を用いたスピンホール効果が盛んに研究されています。これらの材料は、遷移金属を含む事に加え、特異な結晶構造を有しており、従来のスピンホール効果では困難でかつ応用に重要な面直方向に偏極したスピン流を生成できることから、世界中で注目を集めています。

今回、研究グループは、ファンデルワールス強磁性体がもつ磁気特性に着目したスピンホール効果を研究しました。着目したファンデルワールス強磁性体FGTは、原子1層〜数層まで薄くはがすことが可能であり、磁石の性質を利用することで、スピンの流れを自在に操る新たな可能性を秘めています。さらに、室温付近においても磁石の性質(強磁性)を持つ興味深い材料です。これらの特徴は、ファンデルワールス物質をベースとしたスピントロニクスデバイスの実現には欠かせないものです。そのため、これまでにFGTの磁性と電流の相互作用に着目した、異常ホール効果や磁気抵抗効果などの電磁気応答に関する研究が行われてきました。

しかし、磁性をもつファンデルワールス物質を、電流-スピン流の変換材料として用い、スピン流源としての性能を定量評価した研究はこれまでなされてきませんでした。さらに、FGTの磁性とスピン流の生成効率に相関があるのかも未解明でした。

本共同研究グループは、機械的剥離法によりファンデルワールス強磁性体FGTを薄片化し、厚さ約70 nmのフレークをSiO₂/Si基板上に転写しました。その後、電子線リソグラフィーによりFGTフレーク上に銅(5 nm)とパーマロイ(Ni-Fe、10 nm)を成膜し、FGT/Cu/Ni-Feの三層構造からなる幅5 µm、長さ20 µmの微小素子を作製しました。この素子に、高周波電流を印加しながらスピントルク強磁性共鳴測定を行いました(図1左)。

強磁性体は、ある温度(キュリー温度)を境に磁石としての性質(強磁性)を持つかどうかが切り替わります。キュリー温度より高温では、原子ひとつひとつが持つ微小な磁石(スピン)の向きが熱によってバラバラな状態(常磁性)にありますが、キュリー温度を下回ると、スピンの向きが揃った強磁性状態が現れます。今回の研究では、高周波電流を素子に印加してスピントルク強磁性共鳴スペクトルを測定し(図1右)、スピン変換効率の指標である「有効スピンホール角」を各温度で評価しました(図２左)。その結果、有効スピンホール角がキュリー温度(310 K)を境に増大し、低温に向けて一定値に達することを発見しました。さらに研究グループは、得られた有効スピンホール角を電気伝導度との関係として整理し、白金(Pt)やタングステン(W)といった代表的なスピンホール材料と比較しました(図2右)。その結果、FGTのスピン変換効率は、これら重金属材料に匹敵する水準にあることが明らかになりました。

また、温度変化に伴って変換効率が約1桁変化することを確認し、ファンデルワールス強磁性体の磁性を変化させることで、スピン生成効率を大きく変調できることを実証しました。

ファンデルワールス磁性薄膜をスピンホール材料として利用することで、磁気相転移を変換効率の制御ノブとして利用するという新たな研究方向への進展が期待されます。また、ファンデルワールス強磁性体を用いた高効率スピン変換磁気メモリデバイスの実現に向けた道が開かれ、磁性材料をスピン流源として積極的に用いたスピントロニクスデバイスの発展につながることが期待されます。

本研究成果は、2026年9月９日（水）午前3時（日本時間）に米国科学誌「Physical Review Materials」（オンライン）に掲載されました。

タイトル：“Spin Hall effect in van der Waals ferromagnet Fe₅GeTe₂”
著者名：Tomoharu Ohta, Yuto Samukawa, Nan Jiang, Yasuhiro Niimi, Kohei Yamagami, Yoshinori Okada, Yoshichika Otani, and Kouta Kondou
DOI: 10.1103/j2k1-vrvh

なお、本研究は、科学研究費（JP23H00257, JP22H04481, JP21J20442, JP20H02557）、JST創発的研究支援事業(JPMJFR2134)、理研－阪大科学技術ハブ共同研究プログラムの支援の下、行われました。