Titel: Thermal properties of atomic-scale skyrmions in PdFe nanoislands on Ir(111) investigated by variable-temperature and time-resolved scanning tunneling microscopy and spectroscopy
Sprache: Englisch
Autor*in: Lindner, Philipp
Erscheinungsdatum: 2020
Tag der mündlichen Prüfung: 2020-12-17
Zusammenfassung: 
Magnetic skyrmions show great potential for future data storage and processing technology due to their unique property combination of topological stability and the simultaneous existence of several accessible manipulation pathways. Especially, the subclass of atomic-scale skyrmions could be employed to replace current semiconductor-based logic gates with spintronic devices due to predicted advantages in size, speed and energy consumption. So far, atomic-scale magnetic skyrmions were observed only at very low temperature T < 10 K.
Their thermal stability is of high relevance for the transfer of skyrmion-based technology from research to application.
In this work, skyrmions and other magnetic nanostructures of the Pd/Fe/Ir(111) multilayer system were investigated via variable-temperature and time-dependent scanning tunneling microscopy and spectroscopy.
The recently discovered non-collinear magnetoresistance effect was utilized to explore the thermomagnetic phase space up to B = 3 T within the temperature range between 1 K and 100 K. The ordered magnetic spin-spiral (SS) and field-polarized (FP) phases, and evidence for the presence of skyrmions (SK) were found at up to T = 78 K. Indications for temperature-induced skyrmion dynamics were found via the analysis of the stochastic transitions between the SK and the FP state, and by comparison of the observed nanostructures to spin-dynamics simulations from the literature. Additionally, disordered spin structures were found at elevated T and could be identified as a possible manifestation of a predicted fluctuation-disordered state.
The resulting thermo-magnetic phase diagram of the investigated PdFe nanoislands on Ir(111) was found to be in good qualitative and quantitative agreement with predictions from Monte- Carlo simulations of extended Pd/Fe/Ir(111) films.
As a second part of this thesis, several upgrades and successive functional tests were performed on the current iteration of a multi-probe scanning tunneling microscope, which is designated for atomic-scale skyrmion transport experiments. Constant-current images with atomic resolution were achieved on HOPG(0001) for all three microscope tips at ambient conditions.

Magnetische Skyrmionen zeigen großes Potenzial für zukünftige Datenspeicherungs- und Datenverarbeitungstechnologien durch eine einzigartige Kombination von topologischer Stabilität und vielfältigen Manipulationsmöglichkeiten. Insbesondere könnten Skyrmionen atomarer Größenordnung verwendet werden, um aktuelle halbleiterbasierte Logikgatter aufgrund vorhergesagter Vorteile bezüglich Größe, Geschwindigkeit und Energieverbrauch durch spintronische Bauelemente zu ersetzen.
Skyrmionen dieser Größenordnung konnten bisher nur bei sehr tiefen Temperaturen T < 10 K beobachtet werden, obwohl ihre thermische Stabilität hohe Relevanz für den Transfer von der Grundlagenforschung zur Anwendung von skyrmionenbasierter Technologie aufweist.
In dieser Arbeit wurden Skyrmionen und andere magnetische Nanostrukturen des Pd/Fe/Ir(111) Mehrschichtsystems experimentell mittels temperaturabhängiger und zeitaufgelöster Rastertunnelmikroskopie und -spektroskopie untersucht. Zur Erkundung des thermomagnetischen Phasenraums bis zu B = 3 T im Temperaturbereich von 1 K bis 100 K wurde der kürzlich entdeckte nichtkollineare Magnetowiderstand eingesetzt.
Die geordneten magnetischen Phasen, Spinspirale (SS) und feldpolarisierter Zustand (FP), konnten ebenso wie Skyrmionen (SK) bis zu einer Temperatur von T = 78 K nachgewiesen werden.
Durch Analyse der stochastischen Übergänge zwischen den Zuständen SK und FP sowie Vergleiche der beobachteten Strukturen mit Spindynamiksimulationen konnten Hinweise auf eine thermische Aktivierung dynamischer Skyrmionenprozesse gefunden werden. Zusätzlich wurden ungeordnete Spinstrukturen bei erhöhter Temperatur gefunden, die möglicherweise einem ungeordneten, fluktuierenden Zustand zugeordnet werden können.
Das resultierende thermo-magnetische Phasendiagramm der untersuchten PdFe-Nanoinseln auf Ir(111) stimmt qualitativ und quantitativ gut mit Vorhersagen auf Basis von Monte-Carlo Simulationen für ausgedehnte Pd/Fe/Ir(111)-Filme überein.
Der zweite Teil dieser Arbeit besteht aus verschiedenen Verbesserungen und darauffolgenden Funktionstests eines Mehrfachspitzen-Rastertunnelmikroskops, das mit dem Ziel der Durchführung von Transportexperimenten an Skyrmionen atomarer Größenordnung entwickelt wird.
Hier konnte atomare Auflösung auf HOPG(0001) bei Raumtemperatur und an Atmosphäre für alle drei Spitzen erreicht werden.
URL: https://ediss.sub.uni-hamburg.de/handle/ediss/9045
URN: urn:nbn:de:gbv:18-ediss-93159
Dokumenttyp: Dissertation
Betreuer*in: Wiesendanger, Roland
Enthalten in den Sammlungen:Elektronische Dissertationen und Habilitationen

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