Andreas Sonntag, Dissertation, Fachbereich Physik der Universität Hamburg, 2014 :

"Magnetoelectric Coupling and Thermally Driven Magnetization Dynamics Studied on the Atomic Scale"



Schlagwörter: spin-polarized scanning tunneling microscopy, SP-STM, magnetoelectric coupling, magnetic anisotropy, skyrmions, pump-probe, dynamics of magnetic nanoparticles, magnetization dynamics,
PACS : 75.85.+t, 68.37.Ef, 75.30.Gw, 75.75.Jn, 75.78.-n
Der Volltext wurde als Buch/Online-Dokument (ISBN 978-3-8439-1801-5) im Verlag Dr. Hut, München veröffentlicht.

Summary

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.

Titel

Kurzfassung

Summary

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.