Untersuchung des thermischen Spindrehmoments mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Wenn magnetische Elemente für die Datenverarbeitung verwendet werden, können wir die Richtung der Magnetisierung einer kleinen magnetischen Struktur, z. B. eines dünnen Eisenfilms auf einem flachen Substrat, als physikalisches Analogon für Bits nutzen. Im Idealfall würde sich diese Magnetisierung nie ändern, es sei denn, wir manipulieren sie aktiv, aber externe Magnetfelder, erhöhte Temperaturen und unerwünschte Injektionen von Spinströmen (d. h. magnetischen Strömen) können die Stabilität des Systems verringern. Mit zunehmender Verkleinerung der einzelnen Elemente werden diese zunehmend anfälliger für solche Effekte, und zuvor vernachlässigbare Transporteffekte können zu begrenzenden Faktoren bei der Konstruktion von Bauteilen oder zu einer Gelegenheit für eine effiziente Steuerung und Erkennung werden. Das Ziel dieses Projekts war die Messung eines solchen Transporteffekts, nämlich des thermischen Spin-Transfer-Drehmoments (TSTT), mit einer Variante der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM). TSTT kann auftreten, wenn ein Temperaturunterschied außerhalb der Ebene dazu dient, einen Spinstrom in ein magnetisches System zu treiben, wodurch ein Drehmoment auf die Magnetisierung ausgeübt wird. Wie bei anderen verwandten Transporteffekten, z. B. dem Magneto-Seebeck-Tunneln, kann dieser Effekt in Tunnelübergängen beobachtet werden. Diese Strukturen sind für die Bauteilphysik besonders relevant, da sie energieeffiziente Zustandswechsel und hohe Ein/Aus-Verhältnisse ermöglichen, so dass die Messung von TSTT in einem solchen System eine Priorität darstellt. Es hat sich jedoch als schwierig erwiesen, die TSTT eindeutig zu messen, wobei eine Vielzahl von Ansätzen zu indirekten Ergebnissen führt. SP-STM hat das Potenzial, TSTT zu messen und dabei potenzielle Fehlerquellen, wie z. B. Gerätedefekte, zu vermeiden und so eine eindeutige Messung zu ermöglichen. Zur Durchführung von SP-STM wird eine elektrisch vorgespannte, atomar scharfe und magnetische Spitze in Tunnelkontakt mit einer elektrisch leitenden Probe gebracht, und ein Tunnelstrom beginnt zu fließen. Die rasterförmige Abtastung der Spitze mit einer Rückkopplungsschleife zur Aufrechterhaltung eines konstanten Tunnelstroms liefert dann ein atomar aufgelöstes Bild der topografischen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften einer Oberfläche. Wird die Spitze oder die Probe dann erwärmt, entsteht ein Temperaturunterschied, und Ladung und Spin können beginnen zu fließen. Wenn der Spin in ein empfindliches magnetisches System injiziert wird, können wir TSTT durch den Einfluss, den es auf dieses Sensorsystem hat, nachweisen. Diese Mikroskope arbeiten normalerweise im Ultrahochvakuum bei Flüssigheliumtemperaturen und in hohen Magnetfeldern. Für dieses Projekt haben wir erfolgreich ein solches Mikroskop gebaut und in Betrieb genommen, bei dem zusätzlich die Temperatur am Tunnelübergang kontrolliert wird. Dies war eine anspruchsvolle Ergänzung zu den bereits strengen Anforderungen von SP-STM, und die Schaffung und Kontrolle einer kontinuierlich variablen Temperaturdifferenz zwischen Spitze und Probe ist ein entscheidender Schritt hin zu einer hochwertigen Messung von TSTT mit SP-STM.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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“Spin-Caloritronics using spin-polarized STM” (Invited colloquia), Poznań University of Technology, Poznań, October 2022
C. Friesen
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“STM Platform for Spin-Caloritronic Studies” (Poster), Spin- Caloritronics XI, Urbana-Champaign Illinois, May 2022
C. Friesen & R. Wiesendanger
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“Measuring thermal spin-transfer torque using spin-polarized scanning tunneling microscopy” (Invited colloquia), University of Bielefeld, Bielefeld, November 2023
C. Friesen
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“Measuring thermal spin-transfer torque using spin-polarized scanning tunneling microscopy” (Poster), Spin-caloritronics XII, Tsukuba Japan, May 2023
C. Friesen & R. Wiesendanger
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“Spin-caloritronics using spin-polarized STM” (Contributed talk), DPG Spring Meeting, Dresden, March 2023
C. Friesen & R. Wiesendanger
