Spinabhängige Tieftemperatur-Rastertunnelmikroskopie (STM) Experimente bieten die einzigartige Möglichkeit, die strukturellen, elektronischen und magnetischen Eigenschaften von einzelnen und gekoppelten magnetischen Atomen auf Oberflächen mit hoher Energieauflösung zu studieren. In dieser Arbeit wird spin-polarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) und inelastische Rastertunnelspektroskopie (ISTS) eingesetzt, um Fe Atome auf der halbleitenden InSb(110) Oberfläche und den metallischen Cu(111) und Ag(111) Oberflächen zu studieren.
Modellrechnungen zu dem Tunnelvorgang durch ein anregbares Quanten-Spin-System und analytische Untersuchungen des verwendeten Modells, sowie quasi-klassische und Ising-Modell Rechnungen zu gekoppelten Spin-Systemen bilden die Grundlage für die theoretische Beschreibung der Experimente.
Die ISTS Messungen an Fe auf InSb(110) stellen die erste Beobachtung von Spinanregungen von einzelnen magnetischen Atomen auf einer Halbleiteroberfläche dar. Durch den Vergleich der experimentellen Daten mit Dichte Funktional Theorie (DFT) Rechnungen, welche von S. Schuwalow und Frank Lechermann durchgeführt wurden, und Modellrechnungen ergibt sich, dass sich die Fe Atome wie Quantenspins mit Spinquantenzahl S=1 unter dem Einfluss von magnetischer Anisotropie im meV Bereich verhalten. Die Fe Atome sind an ein an der Oberfläche durch positiv geladene Adsorbate erzeugtes zweidimensionales Elektronensystem (2DES) gekoppelt. Die spektroskopischen Peaks der spinaufgespaltenen Landau Niveaus dieses 2DES zeigen eine Asymmetrie ihrer Amplituden, wenn der Tunnelstrom durch die Fe Atome geleitet wird. Es wird gezeigt, dass die Landau-Niveau-Asymmetrie, gemessen als Funktion des externen Magnetfeldes, als eine neue Art von Einzelatom-Magnetisierungskurve (SAMC) aufgefasst werden kann. Messungen der Landau-Niveau-Asymmetrie können verwendet werden um die Spinpolarisierung der Spitze quantitativ zu bestimmen.
SP-STM Messungen der SAMCs von einzelnen Fe Atomen auf Cu(111) zeigen, dass die Fe Atome sich paramagnetisch verhalten, mit einer breiten statistischen Verteilung des effektiven magnetischen Moments um 3.5 Bohr magneton. ISTS Messungen auf demselben System zeigen eine magnetische Anisotropie im meV-Bereich, einen g-Faktor von circa 2.1, sowie eine sehr große, energieabhängige Spinanregungs-Linienbreite im meV-Bereich. Entsprechende Messungen an Fe Atomen auf Ag(111) zeigen ein ähnliches Verhalten, jedoch mit einer dreifach größeren Anisotropie und einem g-Faktor von circa 3.1. Die Beobachtungen können im Rahmen von hoch entwickelten Rechnungen, welche die Spin-Bahn-Wechselwirkung und den Cu/Ag(111) Oberflächenzustand berücksichtigen und von S. Lounis et al. durchgeführt wurden, interpretiert werden.
Durch Atommanipulation wurden Paare, Ketten und andere Strukturen aus gekoppelten Fe Atomen auf Cu(111) konstruiert. Ihr Magnetisierungs- und Kopplungsverhalten wurde mittels der SAMC-Technik mit spinpolarisierten Spitzen untersucht und mit Ising-Modellrechnungen verglichen. Die gemessene RKKY-Paarwechselwirkung als Funktion der relativen Anordnung der Atome zeigt Abweichungen vom isotropen Fall. Die größeren Strukturen verhalten sich in etwa so, wie es nach den gemessenen Paarwechselwirkungen zu erwarten ist, mit Abweichungen bei schwachen externen Magnetfeldern. Grad- und ungradzahlige antiferromagnetisch gekoppelte Ketten zeigen deutlich verschiedene magnetische Grundzustände.
Ein Modell eines Spin-Logik ODER Gatters wurde konstruiert, indem ein "Ausgangs-" Fe Atom über magnetisch gekoppelte Fe Ketten mit zwei ferromagnetischen "Eingangs-" Co Nanoinseln verbunden wurde. Die Funktion des ODER Gatters wird experimentell demonstriert, welches den ersten Einsatz einer Spin-Logik Funktion in dieser Art von magnetischer Nanostruktur darstellt. Ising-Modellrechnungen ergänzen das Experiment.
Spin-sensitive low temperature Scanning Tunneling Microscopy (STM) measurements provide the unique capability to study structural, electronic and magnetic properties of individual and coupled magnetic atoms on surfaces with high energy resolution. In this thesis, spin-polarized STM (SP-STM) and Inelastic Scanning Tunneling Spectroscopy (ISTS) are utilized to investigate Fe atoms on the semiconducting InSb(110) surface and the metallic Cu(111) and Ag(111) surfaces.
Model calculations of tunneling through an excitable quantum spin system and analytical investigations of the model, as well as quasi-classical and Ising model calculations of coupled spin systems prepare the ground for the theoretical description of the experiments.
The ISTS measurements of Fe on InSb(110) are the first observation of spin excitations of individual magnetic atoms on a semiconductor surface. By comparing the experimental data to Density Functional Theory (DFT) calculations performed by S. Schuwalow and F. Lechermann and to model calculations, it is found that the Fe atoms behave like quantum spins with spin quantum number S=1, which are subject to magnetic anisotropy in the meV range. The Fe atoms are coupled to a two dimensional electron system (2DES) which is induced at the surface by positively charged adsorbates. The spectroscopic peaks of the spin-split Landau levels of this 2DES show an asymmetry of their amplitudes when the tunnel current is passed through the Fe atoms. It is shown that the Landau level asymmetry, recorded as a function of external magnetic field, can be interpreted as a new type of Single Atom Magnetization Curve (SAMC). Measurements of the Landau level asymmetry with magnetic tips can be used to quantitatively determine the spin polarization of the tip.
SP-STM measurements of the SAMCs of single Fe atoms on Cu(111) show that the Fe atoms behave paramagnetically with a broad statistical distribution of the effective magnetic moment, centered around 3.5 Bohr magneton. ISTS measurements on the same system reveal a magnetic anisotropy energy in the meV range, a g-factor of about 2.1, and a very broad, energy dependent spin-excitation line width in the meV range. Analogous ISTS measurements of Fe on Ag(111) show similar behavior, but with a three times larger anisotropy energy, and a g-factor of roughly 3.1. The observations can be interpreted in the context of advanced calculations including spin-orbit coupling and the Cu/Ag(111) surface state performed by S. Lounis et al..
Atomic manipulation is used to construct pairs, chains and other structures of coupled Fe atoms on Cu(111). Their magnetization and coupling behavior is studied with the SAMC technique using spin-polarized tips and compared to Ising model calculations. The extracted RKKY pair coupling as a function of pair separation shows deviations from the isotropic case. The larger structures behave approximately as expected from the measured pair couplings, with deviations for small external magnetic fields. Even and odd numbered antiferromagnetically coupled chains show distinctly different magnetic ground states.
A model type spin logic OR gate is constructed by connecting an Fe 'output' atom by magnetically coupled Fe chains to two ferromagnetic 'input' Co nanoislands. The functionality of the OR gate is demonstrated experimentally, constituting the first operation of an atomic spin logic function in this kind of magnetic nanostructure. Ising model calculations complement the experiments.