ImRahmen dieser Arbeit präsentiere ich eine experimentelle und theoretische Untersuchung von spinabhängigen Reibungsphänomenen, die auftreten, wenn ein magnetisches Adatom mit Hilfe der Spitze eines spinpolarisierten Rastertunnelmikroskops auf einer magnetischen Oberfläche bewegt wird.
In den Experimenten wurde ein einzelnes Co Adatom auf einer Monolage Mn auf W(110) bewegt. Der magnetische Grundzustand der Monolage Mn/W(110) ist eine Spinspirale, weshalb sich diese Oberfläche aufgrund der Vielfältigkeit der magnetischen Konfigurationen der Adsorptionsplätze besonders für die Untersuchung der Spinabhängigkeit eignet. Die Technik der Manipulationsabbildung wurde angewandt, in welcher ein Bereich des Substrates gescannt wird während das Co Adatom im Potential der Spitze gefangen ist und ihr folgt. Im Falle einer magnetischen Spitze zeigt das resultierende Manipulationsbild eine magnetische Superstruktur, die dicht mit der magnetischen Ordnung der Oberfläche verknüpft ist. Eine anfängliche Analyse der Manipulationsbilder deutet darauf hin, dass die Lateralkräfte, die benötigt werden um das Adatom zu bewegen, von der magnetischen Konfiguration der Adsorptionsplätze abhängen. Diese Messungen werfen die Frage auf, ob das modifizierte Verhalten des Adatoms durch magnetische Interaktionen verursacht wird und ob der Spinfreiheitsgrad in Reibungsphänomenen in Betracht gezogen werden muss.
Basierend auf Monte Carlo Simulationen eines klassischen Heisenberg-Modells wurde eine Theorie entwickelt um die Dynamik des Adatoms während der Manipulation näher zu untersuchen. In den Simulationen interagieren die Spitze und Oberfläche mit dem Adatom über Morse Potentiale und direkte Austauschwechselwirkungen. Der Metropolis Algorithmus wird verwendet um die Position und den Spin des Adatoms im kombinierten Potential der Oberfläche und der sich bewegenden Spitze zu relaxieren. Der Tunnelstrom wird innerhalb der Simulation berechnet um die experimentellen Manipulationsbilder zu reproduzieren und die simulierten Manipulationsbilder zeigen eine gute Übereinstimmung mit den Experimenten. Die Entwicklung der Position, des Spins und der Energie des Adatoms werden analysiert und bestätigen die Spinabhängigkeit der Lateralkräfte, wenn eine magnetische Spitze verwendet wird. Darüberhinaus zeigen die Simulationen, dass die Reibungskraft, definiert über die Energiedissipation, deutlich von den magnetischen Wechselwirkungen zwischen dem Adatom, der Oberfläche und der Spitze abhängt.
Die präsentierten Ergebnisse verdeutlichen, dass der Spinfreiheitsgrad und kurzreichweitige magnetische Wechselwirkungen, wie z.B. die direkte Austauschwechselwirkung, in Reibungsphänomenen auf atomarer Skala in Betracht gezogen werden müssen. Es ist möglich, dass diese Erkenntnis zukünftig zu weiterem Fortschritt in der Entwicklung einer verbesserten mikroskopischen Reibungstheorie beitragen könnte.
In this thesis, I present a combined experimental and theoretical investigation of the spin-dependent frictional phenomena occurring when a magnetic adatom is moved over a magnetic surface by means of a spin-polarized scanning tunneling microscope (SP-STM) tip.
In the experiments, a single Co adatom was moved over the spin spiral magnetic ground state of the monolayer Mn on W(110). The manipulation imaging technique was applied, in which an area of the substrate is scanned while the Co adatom is trapped in the tip potential and closely follows the tip during the scan. When a magnetic tip is used, the resulting manipulation image shows a magnetic superstructure that is intimately tied to the magnetic structure of the surface. An initial analysis of the manipulation image indicates that the lateral threshold forces to move the adatom depend on the magnetic configuration of the adsorption sites. The measurements raise the question, if magnetic interactions are responsible for the modified behavior of the adatom, and, by extension, if the spin degree of freedom has to be considered in frictional phenomena.
A theoretical framework based on Monte Carlo simulations of a classical Heisenberg model was developed to study the dynamics of the adatom during the manipulation. In the simulations, the substrate and the tip interact with the adatom via Morse potentials and direct exchange interactions. The Metropolis algorithm is applied to relax the position and spin of the adatom in the combined potential of the substrate and the moving tip. The tunnel current is calculated within the simulations in order to reproduce the manipulation images measured experimentally, and the simulated manipulation images show a good agreement with the experiments. Traces of the adatom's position, spin, and energy during the manipulation are analyzed and confirm the spin-dependence of the lateral threshold forces when a magnetic tip is used. Furthermore, the simulations reveal that the friction force, defined in terms of energy dissipation, also shows a distinct dependence on the magnetic interactions between the adatom, the substrate, and the tip.
The presented results show that the spin degree of freedom and short-range magnetic interactions, such as the direct exchange interaction, have to be considered in frictional phenomena on the atomic scale, and may lead to further progress in the development of an advanced microscopic theory of friction.