フェリ磁性絶縁体を用いた異常ホール効果で二段階符号反転を観測～GGG基板上のTmIG/Ptで初観測、超高速・省エネなメモリ素子の設計指針に～

2026-09-01 九州大学

九州大学とスウェーデン・チャルマース工科大学の研究グループは、フェリ磁性絶縁体であるツリウム鉄ガーネット（TmIG）と白金（Pt）の二層構造において、温度変化に伴い異常ホール効果の符号が2度反転する現象を、ガドリニウムガリウムガーネット（GGG）基板上で初めて観測した。TmIGは2種類の磁気モーメントが共存し、両者が打ち消し合う磁気補償点付近では、漏れ磁場の低減や磁気的安定性の向上が期待される。今回、スパッタリング法で作製した薄膜では、250 K、2 Kと100 Kで異常ホール信号の向きが変化し、磁化が極めて小さくなる補償点近傍の状態を捉えた。また、従来より格子歪みが小さい条件でも現象を確認し、格子歪みだけでは説明できないことを示した。超高速・低消費電力のスピントロニクスや高集積磁気メモリに向けた材料設計への応用が期待される。

図1　作製した素子の模式図（白金（Pt）/ツリウム鉄ガーネット（TmIG）/ガドリニウムガリウムガーネット(GGG)基板の積層構造の模式図。）

＜関連情報＞

極薄フェリ磁性絶縁体における異常ホール効果の二度の極性反転の観測
Observation of double anomalous Hall polarity reversals with temperature in an ultrathin ferrimagnetic insulator

Ivo P. C. Cools;Jinyu Xu;Lei Yan;Divya P. Dubey;Saroj P. Dash;Naoto Yamashita
APL Materials Published:September 01 2026
DOI:https://doi.org/10.1063/5.0328123

We report the observation of two temperature-driven polarity reversals of the anomalous Hall effect (AHE) in an ultrathin thulium iron garnet Tm₃Fe₅O₁₂, TmIG and platinum (Pt) heterostructure, grown by scalable on-axis sputtering. Hall-bar devices fabricated from a 6-nm-thick, epitaxially strained TmIG film grown on (111) gadolinium gallium garnet exhibit polarity reversals of the anomalous Hall resistance at ∼81 and 124 K. A pronounced divergence of the coercive field is observed only at the lower temperature, indicating a compensation-like transition. True magnetic compensation has not previously been reported in TmIG owing to the weak exchange coupling between the Tm and Fe sublattices. We attribute the two polarity reversals to distinct physical mechanisms: a crossover in the dominant contribution to the AHE within the Pt layer, and a strain-induced modification of the magnetic structure of the TmIG layer, detected via the magnetic proximity effect. These results demonstrate strain as an effective control parameter for engineering proximity-induced magnetotransport in heavy-metal/rare-earth iron garnet heterostructures.