Spinreibung einzelner Atome untersucht mit Rastertunnelmikroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Atommanipulation als bildgebendes Verfahren ist eine Variante der Rastertunnelmikroskopie (STM), bei der ein Adatom auf der Probenoberfläche der Tunnelspitze folgt, während die Spitze einen atomar flachen Oberflächenbereich abrastert. Das manipulierte Adatom kann als Teil der Tunnelspitze betrachtet werden, das in der Lage ist die wirkenden Kräfte direkt an der Oberfläche zu messen. Wenn Spitze, Adatom und Oberfläche magnetisch sind, enthält das gemessen Bild sowohl strukturelle als auch magnetische Informationen mit atomarer Auflösung. Im Rahmen des Projekts wurde diese sensitive Messtechnik verwendet, um neue atomarskalige Spintexturen zu identifizieren. Weitere Ziele waren die Bestimmung der wichtigsten (magnetischen) Wechselwirkungen zwischen Spitze und Adatom und zwischen Adatom und Oberfläche und die Anwendung der Atommanipulation zum lokalen Schreiben (Verändern) von Spintexturen. In Mangan-Monolagen auf Re(0001) fanden wir drei neue magnetische Zustände, die bezüglich der Heisenberg-Austauschwechselwirkung entartet sind: einen reihenweisen antiferromagnetischen Zustand (1Q) in fcc Mn, einen hexagonalen sogenannten 3Q-Zustand mit 109.47° zwischen benachbarten Spins in hcp Mn und einem transienten 2Q-Zustand innerhalb der Domänenwände in fcc Mn. Dichtefunktionaltheorie zeigt, dass die Entartung dieser Zustände durch Austauschterme vierter Ordnung aufgehoben wird; dabei wird entweder der 1Q- oder der 3Q-Zustand begünstigt, während der 2Q Zustand (durch Austausch vierter Ordnung) nicht der Grundzustand sein kann. Die in fcc Mn/Re(0001) gefundenen 2Q-Domänenwände sind energetisch Sattelpunkte und bilden eine neue Art von antiferromagnetischer Domänenwand, die kein Analogon in Ferromagneten hat. Überraschenderweise hängt die Breite dieser Wände vom Austauschterm vierter Ordnung ab. Grundsätzlich sind solche neuartigen Domänenwandtypen für alle Systeme zu erwarten, bei denen die Symmetrie der magnetischen Textur niedriger ist als die des atomaren Gitters. In Fe-Schichten auf Rh/Ir(111) wurden ein doppelreihiger antiferromagnetischer Zustand und ein hexagonaler Mosaikzustand gefunden. Überraschenderweise ist der Mosaikzustand kollinear und wird durch die 4-Spin-3-Platz-Wechselwirkung stabilisiert, die ein Austauschterm vierter Ordnung ist. Die Stärke der magnetischen Atommanipulation als bildgebendes Verfahren liegt in der unvermeidlichen atomaren Auflösung kombiniert mit einem starken magnetischen Signal (oft eine Größenordnung stärker als bei spinpolarisiertem STM). Dies ermöglicht es beispielsweise direkt zu „sehen“, ob eine Spintextur mit dem atomaren Gitter kommensurabel ist oder nicht. Das Ziel die unterschiedlichen Kräfte, die auf das manipulierte Adatom wirken, zu identifizieren, sowie Vorhersagen über freie Adatomdiffusion auf magnetischen Oberflächen abzuleiten, erwies sich im Zeitrahmen des Projekts als zu ambitioniert. Dagegen war die Manipulation von Spintexturen durch Adatome in zwei Fällen erfolgreich: Die Position von 2Q-Domänenwänden in fcc Mn/Re(0001) wurde verändert, indem Co-Adatome in unmittelbarer Nähe positioniert wurden, wobei eine anziehende Wechselwirkung ausgenutzt wurde. Die antiferromagnetischen Doppelreihen in Fe/Rh/Ir(111) zeigten eine Tendenz, sich entlang des Co Manipulationspfads auszurichten, wodurch das Domänenmuster neu konfiguriert werden konnte. All diese Ergebnisse liefern wertvolle Informationen für das aktive Gebiet der antiferromagnetischen Spintronik, das darauf abzielt, die schnelle Dynamik von Antiferromagneten für Anwendungen zu nutzen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Discovery of Magnetic Single- and Triple- q States in Mn/Re(0001). Physical Review Letters, 124(22).
Spethmann, Jonas; Meyer, Sebastian; von Bergmann, Kirsten; Wiesendanger, Roland; Heinze, Stefan & Kubetzka, André
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Towards skyrmion-superconductor hybrid systems. Physical Review Materials, 4(8).
Kubetzka, André; Bürger, Jan M.; Wiesendanger, Roland & von, Bergmann Kirsten
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Discovery and characterization of a new type of domain wall in a row-wise antiferromagnet. Nature Communications, 12(1).
Spethmann, Jonas; Grünebohm, Martin; Wiesendanger, Roland; von Bergmann, Kirsten & Kubetzka, André
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Distorted 3Q state driven by topological-chiral magnetic interactions. Physical Review B, 104(18).
Haldar, Soumyajyoti; Meyer, Sebastian; Kubetzka, André & Heinze, Stefan
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Coexistence of antiferromagnetism and superconductivity in Mn/Nb(110). Physical Review B, 105(10).
Lo, Conte Roberto; Bazarnik, Maciej; Palotás, Krisztián; Rózsa, Levente; Szunyogh, László; Kubetzka, André; von Bergmann, Kirsten & Wiesendanger, Roland
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Nano-scale collinear multi-Q states driven by higher-order interactions. Nature Communications, 13(1).
Gutzeit, Mara; Kubetzka, André; Haldar, Soumyajyoti; Pralow, Henning; Goerzen, Moritz A.; Wiesendanger, Roland; Heinze, Stefan & von, Bergmann Kirsten
