Discovery and Manipulation of Individual Skyrmions in Ultrathin Magnetic Films

Abstract

Modern data storage technology is facing the inevitable obstacle that soon, the currently available storage capacities cannot simply be extended by a continued miniaturisation. Instead, fundamentally new approaches have to be found to accommodate the increasing amount of data generated each year. One possible candidate as information carrier in future spintronics devices is the magnetic skyrmion. These topologically stabilised, magnetic knots could e.g. be used in three-dimensional arrays of race-track-type memory devices that would increase the available storage density manifold and thereby overcome the above mentioned impediment. Whereas the observation of skyrmion lattices in bulk materials was reported before, the realisation of skyrmion-based devices requires individual skyrmions, which can be manipulated in a controlled fashion. This thesis presents the discovery of nanoscale, interface-induced, isolated magnetic skyrmions, which were found in the ultrathin film system Pd/Fe/Ir(111) by (spin-polarised) scanning tunneling microscopy ((SP-)STM). It is demonstrated how (spin-polarised) currents from the STM tip can be used to write and delete them individually and in close vicinity to one another. In addition, the high spatial resolution of SP-STM paired with the direct access to the sample spins was employed to investigate the size and shape of an isolated skyrmion as a function of external magnetic field. A novel analytical description for the skyrmion spin structure was introduced to connect these findings to the original micromagnetic model, which was used for predicting magnetic skyrmions, demonstrating excellent agreement. However, analyzing slightly different PdFe systems in a similar manner showed that the simplified model fails; based on density functional theory results, this is attributed to the importance of the frustration of exchange interactions at different distances. The investigation of further PdxFe and RhFe systems revealed the sensitive dependence of the magnetic properties of Fe/Ir(111) on the overlayer(s) and on the stacking order of the ultrathin film systems, emphasizing the importance of atomic scale precision for the tailoring of magnetic states. The observed magnetic periodicities in these systems range from 1 to 15nm, and additional skyrmions and skyrmion lattices with transition magnetic fields between <0.8 and >9T were found. Due to the meta-stability of topologically distinct magnetic states at low temperature, novel skyrmionic spin structures are reported, which can be categorised into common and uncommon states using the concept of topology. At the island edges, SP-STM measurements revealed the theoretically predicted edge tilt induced by the Dzyaloshinskii-Moriya interaction. In conclusion, this thesis covers some of the key aspects of fundamental research on the path to the realisation of skyrmion based devices, while hopefully inspiring further experimental and theoretical research in the developing field of skyrmionics.

Die heutige Technologie zur Datenspeicherung steht vor dem fundamentalen Problem, dass die verfügbare Speicherdichte schon bald nicht mehr allein durch Miniaturisierung erweitert werden kann. Stattdessen müssen grundlegend neue Ansätze gefunden werden, um dem steigenden, jährlich generierten Datenberg Herr zu werden. Ein möglicher Kandidat als Informationsträger in künftigen Spintronik-Anwendungen sind magnetische Skyrmionen. Diese topologisch stabilisierten, magnetischen Knoten könnten z.B. in dreidimensionalen Anordnungen von sog. Race-Track-Speichern zur Anwendung kommen und damit die erreichbare Speicherdichte um ein Vielfaches erhöhen. Skyrmionengitter wurden zwar bereits in Volumenmaterialien nachgewiesen, jedoch werden für die Realisierung von Skyrmionenbasierten Anwendungen einzelne Skyrmionen benötigt, die auf kontrollierte Weise manipuliert werden können. In dieser Arbeit wird die Entdeckung von Grenzflächen-induzierten, isolierten magnetischen Skyrmionen auf Nanometer-Skala beschrieben, welche in dem Dünnfilm-System Pd/Fe/Ir(111) mittels (spin-polarisierter) Rastertunnelmikroskopie ((SP-)STM engl. (spinpolarised) scanning tunneling microscopy) nachgewiesen werden konnten. Es wird demonstriert, wie sie anhand (spin-polarisierter) Ströme aus der STM Spitze einzeln und in direkter Nachbarschaft zueinander geschrieben und gelöscht werden können. Zusätzlich wurde die hohe laterale Auflösung von SP-STM, gepaart mit dem direkten Zugang zu den Proben-Spins, dazu genutzt, die Gröÿe und Form eines isolierten Skyrmions als Funktion des externen Magnetfeldes zu untersuchen. Über die Einführung einer neuartigen, analytischen Beschreibung für die Spinstruktur von Skyrmionen konnten die Ergebnisse, in sehr guter Übereinstimmung, mit dem zur Vorhersage von Skyrmionen verwendeten mikromagnetischen Modell verbunden werden. Jedoch zeigte die Analyse leicht andersartiger PdFe Systeme, dass das simplifizierte Modell nicht ausreicht, was auf Grundlage von Ergebnissen aus Dichtefunktionaltheorie-Rechnungen auf die Bedeutung von Austauschfrustration zurück geführt werden konnte. Mittels der Untersuchung weiterer PdxFe- und RhFe-basierter Systeme konnte die empfindliche Abhängigkeit der magnetischen Eigenschaften von Fe/Ir(111) von den Deckschichten und der Stapelfolge der Dünnfilmsysteme gezeigt werden, was die Bedeutung hoher Präzision auf atomarer Skala für maÿgeschneiderte magnetische Zustände hervorhebt. Die beobachteten magnetischen Periodizitäten in diesen Systemen reichen von 1 bis 15nm, wobei weitere Skyrmionen und Skyrmionengitter mit Übergangsfeldern zwischen < 0.8 und >9T entdeckt werden konnten. Aufgrund der Meta-Stabilität von topologisch unterschiedlichen magnetischen Zuständen bei tiefen Temperaturen wurden neue skyrmionische Zustände ausgemacht, welche nach ihrer Topologie in gewöhnliche und ungewöhnliche Zustände unterteilt werden können. An Inselrändern konnte mittels SP-STM-Messungen das theoretisch vorhergesagte Verkippen der Spins aufgrund der Dzyaloshinskii-Moriya-Wechselwirkung nachgewiesen werden. Insgesamt beantwortet diese Doktorarbeit mehrere Schlüsselfragen der Grundlagenforschung auf dem Weg zur Realisierung von Skyrmionen-basierten Anwendungen und eröffnet hoffentlich das Feld für weiterführende experimentelle und theoretische Forschung im aufstrebenden Gebiet der Skyrmionik.