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電流を流した板に磁石を近づけると、電流とは直角の方向に電圧が出る。1879年にアメリカの物理学者エドウィン・ホールが見つけたこの現象は「ホール効果」と呼ばれ、いまも磁気を測るいちばん基本的な道具として使われています。
その派生形である「異常ホール効果」には、長いあいだ当たり前とされてきた前提がありました。磁石の向き（磁化）が板の面に対して垂直な成分を持っていなければ、信号は出ない、というものです。カーネギーメロン大学などのチームは、磁化が板の面の中に寝ていても信号が出るデバイスを実際に作り、測定結果を学術誌 Nature Materials に発表しました。
スマホにも車にも入っている147年前の発見
ホール効果の仕組みは、中学理科の「フレミングの左手の法則」とほぼ同じです。磁場の中を電流が流れると、電流の担い手である電子は横向きの力を受けます。板の中を流れる電子は片側の縁に寄せられ、縁と縁のあいだに電圧が生まれる。これがホール電圧です。
上の図のように、磁場は板を上から下へ貫く向きにかけます。電圧の大きさは磁場の強さに比例するので、電圧を読めば磁場が分かります。この性質を使ったホールセンサーは、自動車の回転検出、パソコンのキーボード、手帳型スマホカバーの開閉検知など、身のまわりの機器に数多く入っています。研究の現場でも、材料の中を流れているのがマイナスの電荷かプラスの電荷か、その数はどれくらいかを調べる標準の測定法です。
大事なのは向きです。磁場が板を貫いていれば電子は横に曲がりますが、磁場を板の面と平行に寝かせると、板の縁に向かう力は生まれません。ホール効果は「磁場が面に垂直なときに働くもの」として教科書に載ってきました。
異常ホール効果と「垂直でなければ出ない」という前提
ホールは1881年、鉄のように自分自身が磁石になる物質（強磁性体）では、この効果がずっと大きく出ることにも気づいていました。外からかけた磁場ではなく、物質そのものの磁化が電子を横に曲げている。こちらが異常ホール効果です。
異常ホール効果は、材料の磁化がどちらを向いているかを電気信号として読み出せるので、磁気メモリなど電子のスピンを使う技術（スピントロニクス）の研究で欠かせない測定になっています。
ここにも向きの前提がありました。論文の要旨によれば、磁性体の異常ホール効果はふつう、結晶の対称性の制約によって、磁化のうち面に垂直な成分に比例します。磁化が面の中に完全に寝ていれば、信号はゼロ。測定する側もそれを前提に、磁化が垂直を向く材料を選んだり、垂直方向に磁場をかけたりしてきました。
制約の正体は結晶の対称性
ところが、この「垂直でなければ出ない」は、フレミングの法則のような動かせない物理法則ではありませんでした。
磁化が板に垂直なら、板を上から見たときに時計回りと反時計回りの区別が生まれ、電子が右に曲がるか左に曲がるかが決まります。一方、磁化が面の中に寝ている場合、きれいに整った結晶では右と左を区別する手がかりがありません。右向きに曲げる働きと左向きに曲げる働きがちょうど打ち消し合い、信号はゼロになります。
つまり、信号を消していたのは結晶の対称性の高さです。裏を返せば、左右の区別がつくほど対称性の低い結晶を使えば、面内の磁化でも信号は出るはず。この考え方は理論としては以前から提案されていて、2013年には面内磁化による量子異常ホール効果を予言する論文が Physical Review Letters に出ています。
足りなかったのは材料でした。研究を率いたシムランジート・シン准教授は大学の発表の中で、アイデアは出ていたものの、ちょうどよい対称性を持つ磁性体を作るのがとても難しかった、と振り返っています。チームがとった方法は、順序を逆にすることでした。磁性体の中から対称性の低いものを探すのではなく、対称性の合う材料を先に見つけ、それをあとから磁石にしたのです。
原子数層の膜を重ねた二層構造
選ばれたのは、タンタル・イリジウム・テルルの化合物 TaIrTe₄ です。トポロジカル半金属と呼ばれる物質の一種で、結晶の対称性がもともと低いことが知られていました。ただし磁石ではありません。
チームはこの結晶を原子数層ぶんの厚さまで薄くし、その上に Cr₂Ge₂Te₆（CGT）という層状の物質を重ねました。CGTは電気を通さない絶縁体でありながら、低温で磁石になる物質です。二つの層がぴったり接していると、CGTの磁性が隣の TaIrTe₄ にしみ出し、TaIrTe₄ は電気の流れ方を保ったまま磁気的な性質を帯びます。CGTは絶縁体なので、電流を運ぶのは TaIrTe₄ の側です。
重ね合わせにはもう一つの効果がありました。二層にすることで系全体の対称性がさらに下がり、残るのは鏡映面（そこに鏡を置いても結晶が同じに見える面）がたった1枚だけになります。磁化がこの鏡映面に沿った成分を持つと、最後の対称性も破れ、ホール信号は垂直成分だけでなく面内成分にも応じて現れるようになります。
実際にナノメートルサイズのデバイスを作って測ると、従来どおりの垂直磁化による信号に加えて、面内の磁化に追従するもう一つの信号が観測されました。結果は複数のデバイスで確かめられており、ゲート電圧（デバイスに外からかける電圧）で信号の大きさを調整できることも示されています。
理論面は同じ大学のシュバユ・チャタジー助教が担当しました。対称性から許される最小限のモデルを組み立てたところ、界面で生じるスピン軌道相互作用（電子の運動とスピンが結びつく効果）と、磁性層との交換相互作用の二つで、観測された多方向の応答を説明できたとしています。
1個で複数方向を測る磁気センサーへの道と残る課題
応用としてチームが挙げているのは磁気センサーです。これまで磁場を2方向で測るには、向きの違うセンサーを2個並べる必要がありました。面に垂直な信号と面内の信号を同じデバイスで取れるなら、極薄のセンサー1個で複数の方向を測れます。平らな構造のままで済むので、デバイスの設計も単純になります。
ただし、現時点でそのまま製品につながる話ではありません。CGTが磁石になるのは低温に限られ、実験は極低温で行われています。チームは室温での応答を調べている段階で、同じ現象を示すほかの材料も探しているところです。仕組みについても、チャタジー助教は、信号の特徴の一部は材料固有の性質に由来するものと整合するが、正確なメカニズムを確定するには数層の TaIrTe₄ をさらに詳しく調べる必要がある、と述べています。
もう一点。面内の磁場や磁化でホール信号が出たという報告は、今回が完全に初めてではありません。論文の参考文献には、2022年に Nature に載った超格子での観測や、2024年の磁性ワイル半金属の薄膜での測定などが挙がっています。今回の論文が題名と要旨で打ち出しているのは、原子数層の低次元の系で、対称性を設計することによって、磁化に駆動される面内の異常ホール効果を電圧で調整できる形で実現した、という点です。
147年前に見つかり、教科書の最初のほうに載っている効果でも、「出ない」とされていた理由をたどると、法則ではなく材料の側の事情でした。材料を重ねて対称性を作り替えれば、測れなかった向きが測れるようになる。チームは、対称性の低いほかのトポロジカル物質でも同じ設計が使えるとみています。
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出典
研究論文（査読済み、2026年5月28日オンライン公開・本文は有料）：Kao, I-H., Bandapelli, R. K. et al. In-plane anomalous Hall effect in a low-dimensional system, Nature Materials (2026)
カーネギーメロン大学の発表（2026年8月28日・無料で読めます）：CMU Physicists Take Hall Effect in a New Direction
面内磁化による量子異常ホール効果の理論予言（2013年）：In-plane magnetization-induced quantum anomalous Hall effect, Physical Review Letters
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