Kurzfassung
In den letzten Jahrzehnten haben sich spintronische Bauelemente wie magnetische Arbeitsspeicher (MRAM), die den Elektronenspin zur Informationsübertragung nutzen, als Alternative zu herkömmlichen ladungsbasierten Technologien etabliert. Spintronische Bauelemente haben das Potenzial, deutlich energieeffizienter zu sein und höhere Informationsspeicherdichten zu bieten. Dies kann beispielsweise durch die Speicherung von Informationen unter Verwendung magnetischer Quasiteilchen wie Skyrmionen in Racetrack-Speichern erreicht werden. Bislang konzentrierte sich die Spintronik-Forschung größtenteils auf ferromagnetische (FM) Materialien. In den letzten Jahren haben die Untersuchungen zu antiferromagnetischen (AFM) Materialien jedoch zugenommen. Antiferromagnete weisen eine schnellere Dynamik auf, sind robuster gegenüber Streufeldern und
zeigen aufgrund ihrer Netto-Null-Magnetisierung selbst keine Streufelder. Um Spintronik-Bauelemente der nächsten Generation auf AFM-Basis zu entwickeln, ist ein tiefgreifendes Verständnis der Parameter, die die AFM-Eigenschaften bestimmen, erforderlich.
Darüber hinaus werden Fertigungsmethoden im Nanomaßstab, wie beispielsweise die Selbstorganisation, benötigt. In dieser Arbeit werden verschiedene Phänomene, die in ultradünnen AFM-Filmen auftreten, mit Hilfe der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) untersucht.
Im ersten experimentellen Kapitel dieser Arbeit wird die Rolle des Magnetismus in Prozessen wie der Adatomdiffusion und dem Wachstum von Nanostrukturen untersucht, da dies Auswirkungen auf die Herstellung von AFM-Bauelementen haben kann. Diese Prozesse werden häufig oberhalb der magnetischen Ordnungstemperatur untersucht, sodass magnetische Effekte nicht berücksichtigt werden müssen. Selbst unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur, wo magnetische Effekte auftreten können, wird ihre Stärke im Vergleich zu Bindungsenergien und Diffusionsbarrieren in der Regel als vernachlässigbar angesehen. In dieser Arbeit wird die Bewegung von Adatomen auf einer einzelnen fcc-gestapelten Mn-Atomlage auf einem Re(0001)-Kristall, der einen reihenweisen AFM-Zustand (RW-AFM) aufweist, untersucht. Bei 4, 2 K beobachten wir eine eindimensionale Adatom-Bewegung auf der hexagonalen Mn-Schicht, die durch den zugrunde liegenden einachsigen magnetischen Zustand bestimmt wird. Darüber hinaus zeigt ein Vergleich des Wachstums von Co-Monolage (ML)-Inseln auf Mn/Re(0001) oberhalb und unterhalb der magnetischen Ordnungstemperatur, dass der magnetische Zustand zu der Bildung von 1D-Co-Nanostrukturen führt. Für Letzteres belegen diese Ergebnisse die Existenz einer wechselseitigen Wirkung zwischen Struktur und Magnetismus.
Auch im Zusammenhang mit topologischen Quasiteilchen gelten AFM-Spintexturen gegenüber FM-Spintexturen als überlegen. FM-Skyrmionen sind topologische, teilchenähnliche Knoten in der Magnetisierung, die durch Strom angetrieben werden können, allerdings mit zusätzlicher transversaler Bewegung (Skyrmion-Hall-Effekt). Es wird vorhergesagt, dass AFM-Skyrmionen, die ferromagnetische Skyrmionen auf zwei Untergittern beherbergen, keine transversale Bewegung zeigen wenn sie durch Strom angetrieben werden. Das System aus der Mn ML und der Mn DL auf Ta(110) hat sich als Modellsystem erwiesen, das die ersten experimentell beobachteten AFM-Skyrmionen in einer monoatomaren magnetischen Schicht beherbergt. Magnetische Frustration an der Grenzfläche zwischen der Mn ML und der DL, die eine nicht-kollineare AFM-Spirale bzw. einen kollinearen AFM-Zustand beherbergen, wird zur Stabilisierung der AFM-Skyrmionen genutzt.
AFM auf Supraleitern (SC) bilden Magnet-Supraleiter-Hybridsysteme (MSH), die topologische supraleitende Phasen beherbergen können. An der Grenze zwischen verschiedenen topologischen Phasen entstehen Nullenergie-Randmoden. Die Kontrolle über das Auftreten dieser Randmoden und ihre Eigenschaften sind für zukünftige spintronische Anwendungen wünschenswert. In dieser Arbeit werden die Randmoden zwischen zwei verschiedenen MSH-Systemen der Mn ML und der Mn DL auf Ta(110) untersucht, wobei die Randmode an der [001]-Kante spinpolarisiert ist. Zusammen mit begleitenden Tight-Binding-Rechnungen wird weiterhin gezeigt, dass beide MSH-Systeme topologische Nodal-punkt-Supraleitungsphasen (TNPSC) beherbergen. Darüber können TNPSCs eine Plattform sein, um das Auftreten und die Eigenschaften von Randmoden zu steuern.
Abstract In recent decades spintronic devices such as magnetic random-access memory (MRAM), which make use of the electron spin to carry information, have emerged as an alternative to traditional charge-based technologies. Spintronic devices have the potential to be significantly more energy efficient as well as to offer higher information storage densities. This may for instance be achieved by storing information using magnetic quasi-particles such as skyrmions in racetrack memory. So far, spintronics research has mostly focused on ferromagnetic (FM) materials; however, in recent years investigations into antiferromagnetic (AFM) materials have increased. Antiferromagnets exhibit faster dynamics, are more robust against stray fields, and due to their net-zero magnetization exhibit no stray fields themselves. To develop next-generation AFM-based spintronic devices a deep understanding of the parameters governing AFM properties is required. Additionally, nano-scale fabrication methods, such as self-assembly, are needed. In this thesis different phenomena arising in ultra-thin AFM films are investigated using spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM). In the first experimental part of this thesis, the role of magnetism in processes like adatom diffusion and nanostructure growth is investigated, as this may have implications for the design of AFM devices. These processes are often studied above the magnetic ordering temperature, so magnetic effects do not have to be considered. Even below the magnetic ordering temperature, where magnetic effects may exist, their strength is usually considered negligible compared to binding energies and diffusion barriers. In this thesis the motion of adatoms is investigated on a single fcc-stacked Mn layer on a Re(0001) crystal, hosting a row-wise AFM (RW-AFM) state. We observe one-dimensional adatom motion on the hexagonal Mn layer at 4.2 K, dictated by the underlying uniaxial magnetic state. Furthermore, a comparison of the growth of Co monolayer (ML) islands on Mn/Re(0001) above and below the magnetic ordering temperature reveals that the magnetic state causes the formation of 1D Co-nanostructures. For the latter case these findings demonstrate the existence of a reciprocal effect between structure and magnetism. Also in the context of topological quasi-particles, AFM spin textures are believed to be superior to FM spin textures. FM skyrmions are topological particle-like knots in the magnetization that can be driven by current, although with additional transversal motion (skyrmion-Hall-effect). AFM skyrmions hosting ferromagnetic skyrmions on two sublattices are predicted to show no transversal motion when driven by current. The system of the Mn ML and Mn DL on Ta(110) is demonstrated to be a model-type system, hosting the first experimentally observed AFM skyrmions in a single magnetic layer. Magnetic frustration at the interface between the Mn ML and DL, hosting a non-collinear AFM spin-spiral and a collinear AFM state, respectively, is employed to stabilize the AFM skyrmions. AFM on superconductors (SC) form magnet-superconductor-hybrid (MSH) systems,that can host topological superconducting phases. At the boundary to different topological phases zero-energy edge modes emerge. Control over the emergence of these edge modes and their characteristics is desirable for future spintronic applications. In this thesis, the edge modes between two different MSH systems, the Mn ML and Mn DL on Ta(110), are investigated, and the edge mode at the [001] edge is found to be spinpolarized. Together with collaborative tight-binding calculations, both MSH systems are shown to host topological nodal point superconducting (TNPSC) phases. Furthermore, it is demonstrated that TNPSCs can be a platform to tune the emergence and properties of edge modes.