Kurzfassung
Zur Entwicklung neuer Speichertechnologien werden neue Konzepte zur
Erhöhung der Speicherdichte und ein fundamentales Verständnis
von thermischen Fluktuationen in nanoskaligen Magneten benötigt.
In dieser Arbeit werden die magnetoelektrische Kopplung zur
Beeinflussung der magnetischen Anisotropie und Prozesse der thermisch
getriebenen Magnetisierungsdynamik mit Hilfe von spin-polarisierter
Rastertunnelmikroskopie untersucht. Als prototypische Systeme werden
monolagige Eiseninseln auf W(110) und Mo(110), sowie monolagige
Eisenfilme auf Ir(111) verwendet.
Im ersten Teil der Arbeit wird die Kopplung eines externen
elektrisches Feldes E an die magnetischen Eigenschaften von
superparamagnetischen, in der Probenebene magnetisierten Fe/W(110)
Nanoinseln untersucht. Das Feld wird mit Hilfe der Tunnelspitze
angelegt und kann bis zu 6 GV/m erreichen. Durch Beobachtung des
superparamagnetischen Schaltens wird gezeigt, dass negative (positive)
elektrische Felder die Magnetisierung gegen thermische Fluktuationen
(de-) stabilisieren. Die Ursache ist eine E-Feld induzierte magnetische
Anisotropie, die im Falle E<0 eine in der Ebene liegende
Magnetisierung, und für E>0 eine senkrecht zur Ebene stehende
Magnetisierung bevorzugt. Diese Interpretation wird an senkrecht zur
Probenebene magnetisierten Fe/Mo(110) Nanoinseln verifiziert. Die
Experimente zeigen, wie magnetische Eigenschaften auf atomarer Ebene
modifiziert werden können, ohne dass hierzu Spin- oder
Ladungsströme benötigt werden.
Der zweite Teil der Arbeit beschäftigt sich mit
zeitaufgelösten Untersuchungen von thermisch induzierten
Ummagnetisierungsprozessen. Die hierfür nötige
Zeitauflösung im Nanosekundenbereich wird durch die Entwicklung
einer pump-probe Methode erreicht, die sich an die Entwicklungen von
Loth et al. anlehnt. Mit Hilfe dieser Technik wird das
superparamagnetische Schalten von einzelnen Fe/W(110) Nanoinseln in
Hinblick auf hohe Schaltraten bis zu 1E7 pro Sekunde untersucht. Die
Inseln schalten bei höheren Temperaturen deutlich langsamer als
sich anhand ihres Niedrigtemperaturverhaltens erwarten lässt.
Verantwortlich hierfür ist sogenanntes
Multi-Domänenwandschalten: Wenn zwei Domänenwände mit
gleichem Rotationssinn in der Insel nukleieren, kann ihre
Wechselwirkung zu einer Verhinderung des Schaltprozesses, und damit zu
einer niedrigeren Schaltrate führen.
Um den Einfluss von thermischen Fluktuationen auf skyrmionische Systeme
zu untersuchen, werden im letzten Teil dieser Arbeit Messungen an der
Monolage Fe/Ir(111) präsentiert. In vorhergehenden Studien konnte
gezeigt werden, dass dieses System ein quadratisches Skyrmionengitter
als Grundzustand ausbildet. Aufgrund der hohen Stabilisierungsenergie
von 17 meV wurde von einer hohen thermischen Stabilität,
möglicherweise bis Raumtemperatur, ausgegangen. Die hier
präsentierten temperaturabhängigen Experimente zeigen jedoch,
dass das Gitter bereits bei 28 K verschwindet, was auf einen
Übergang ins paramagnetische Regime hindeutet.
Future magnetic data storage devices require new concepts to
increase the data storage capacity and a detailed understanding of the
impact of thermal fluctuations on the magnetization of the data
carrier. This thesis is concerned with the investigation of
magnetoelectric coupling as a method to alter the magnetic properties
of nanoscale magnetic systems and the fundamental processes of
thermally driven magnetization dynamics. For this purpose
spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) investigations
are performed on monolayer iron films on W(110), Mo(110), and Ir(111)
single crystalline samples.
The first part of the thesis is concerned with magnetoelectric
coupling on the atomic scale. As a prototypic sample system,
superparamagnetic iron nanoislands on W(110) are used. An electric
field of up to 6 GV/m is applied to individual nanoislands using the
tip of the tunneling microscope. Observing the switching rate of these
magnets reveals that a negative (positive) electric field stabilizes
(destabilizes) their in-plane magnetization against thermal agitation.
This behavior is attributed to an electric-field-induced uniaxial
magnetic anisotropy that favors in-plane magnetization for E<0 and
out-of-plane magnetization for E>0. This interpretation is justified
by experiments on out-of-plane Fe/Mo(110) nanoislands. The experiments
demonstrate magnetic manipulation on the atomic scale without
exploiting spin or charge currents.
The second part of this thesis is devoted to time-resolved
investigations of fast processes during thermal magnetization reversal.
The high temporal resolution required to observe these processes is
achieved by developing a pump-probe scheme following the pioneering
work of Loth et al. This scheme increases the time resolution of the
experimental setup into the nanosecond regime. The new technique is
used to study the thermal magnetization reversal of individual
Fe/W(110) nanoislands with switching rates up to 1E7 per second. The
experiments show that these magnets switch significantly slower at high
temperatures than expected from their low-temperature behavior. This is
attributed to a process called multi-domain-wall nucleation: When two
domain walls with the same rotational sense nucleate within the island,
the interaction between them hinders magnetization reversal and thereby
lowers the switching rate.
To study the impact of thermal fluctuations on nanoscale skyrmionic
systems, in the last part of this thesis temperature dependent SP-STM
investigations on the monolayer Fe/Ir(111) are presented. In previous
studies it was shown that the magnetic ground state of this system is a
square lattice of skyrmions and due to the large stabilization energy
of 17 meV/atom a high thermal stability was predicted. Experimentally,
however, a disappearance of the skyrmion lattice is already observed at
28 K, indicating paramagnetism above this temperature.