Non-Collinear Magnetism in Fe on W(110) - Angularly Resolved Real-Space Imaging and Micromagnetic Data Analysis

Abstract

Spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) and spectroscopy (SP-STS) are powerful tools to investigate magnetic nanostructures down to the atomic scale. However, it appears as a fundamental limitation of these techniques that in the existing SP-STM setups the spatial orientation of the probed magnetic moments cannot be determined with full angular resolution. In this thesis it is demonstrated that this experimental limitation can be overcome and that angular resolution can be achieved in SP-STM and SP-STS experiments by operating the microscope in the magnetic field of a triple axes vector magnet.

The instrumental setup developed in the framework of this thesis is used to directly measure the magnetic structure of a surface spin spiral in real-space, for the first time. It is shown that the magnetic ground state of the iron double layer on the (110)-surface of a tungsten single crystal is an inhomogeneous right-rotating cycloidal spin spiral. For the detailed investigation of the relevant magnetic interactions a comprehensive micromagnetic model is suggested. Besides magnetic exchange and crystalline anisotropy this model accounts for the Dzyaloshinskii-Moriya interaction, dipolar interactions and the inhomogeneity of the spin spiral profiles.

In contrast to all previously discussed models the micromagnetic model suggested in this thesis reproduces all hitherto existing experimental observations concerning the iron double layer on the (110)-surface of a tungsten single crystal in a consistent and quantitatively correct way. In particular, the calculations imply that the observed spin spiral state is induced by the joint action of the Dzyaloshinskii-Moriya interaction and dipolar effects. In addition, the model explains the experimentally observed temperature dependence of the spin spiral state as well as its vanishing in narrow iron double layer stripes.

In the last part of this thesis a hitherto unknown two-dimensional magnetic ground state is presented for the combined system of iron mono layer and double layer areas. Due to its non-trivial topological structure this novel state is fundamentally different from the previously discussed spin spiral state. Similarities with the recently observed magnetic skyrmion lattices are discussed and possible subsequent experiments are suggested.

Spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie und Spektroskopie sind leistungsfähige Werkzeuge zur Untersuchung magnetischer Nanostrukturen mit atomarer Auflösung. Eine wesentliche Schwäche beider Messmethoden liegt jedoch in der nicht bzw. nur eingeschränkt gegebenen Möglichkeit winkelaufgelöster Messungen. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird demonstriert, dass sich die genannten Methoden um das Element der Winkelauflösung erweitern lassen indem die Messungen im externen Feld eines Drei-Achsen-Vektormagneten durchgeführt werden.

Der im Rahmen der vorliegenden Arbeit entwickelte experimentelle Aufbau wird verwendet um erstmalig die magnetische Struktur einer Oberflächenspinspirale direkt im Realraum zu messen. Es wird gezeigt, dass der magnetische Grundzustand der Eisendoppellage auf der (110)-Oberfläche eines Wolfram-Einkristalls durch eine inhomogene rechtsdrehende zykloidale Spinspirale gegeben ist. Zur detaillierten Untersuchung der beteiligten magnetischen Wechselwirkungen wird ein umfassendes mikromagnetisches Modell vorgeschlagen, das neben magnetischem Austausch und Kristallanisotropie insbesondere die Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung, dipolare Wechselwirkungen sowie die Inhomogenität der Spiralprofile berücksichtigt.

Im Unterschied zu allen zuvor diskutierten Modellen reproduziert das hier vorgeschlagene Modell alle derzeit bekannten experimentellen Beobachtungen bezüglich der Eisendoppellage auf Wolfram(110) widerspruchsfrei und quantitativ korrekt. Aus den Modellrechnungen ergibt sich insbesondere, dass der beobachtete Spiralzustand durch das Zusammenwirken der Dzyaloshinskii-Moriya Wechselwirkung und dipolarer Effekte induziert wird. Darüber hinaus liefert das Modell eine Erklärung der experimentell beobachteten Temperaturabhängigkeit des Spinspiralzustands sowie dessen Verschwinden in schmalen Eisendoppellagenstreifen.

Im letzten Teil der Arbeit wird ein neuartiger bislang unbekannter zweidimensionaler magnetischer Grundzustand des kombinierten Systems aus Eisenmonolage und Eisendoppellage vorgestellt. Der Zustand unterscheidet sich aufgrund seiner nichttrivialen topologischen Struktur fundamental von der zuvor diskutierten Spinspirale. Es werden Ähnlichkeiten mit den kürzlich beobachteten magnetischen Skyrmiongittern diskutiert und weiterführende Experimente vorgeschlagen.