Kurzfassung
Magnetische Skyrmionen sind topologisch geschützte Wirbel in der Spinstruktur, die aufgrund ihrer Stabilität und ihrem teilchenähnlichen Charakter auf großes Interesse stoßen. Skyrmionen haben jedoch bestimmte Eigenschaften, die sich nachteilig auf ihre Verwendung auf dem Gebiet der Spintronik auswirken können. Zum Beispiel benötigen sie typischerweise externe Magnetfelder, um stabilisiert zu werden, und erhalten bei lateraler Bewegung eine transversale Komponente (Skyrmion-Hall-Effekt), die zur Skyrmion-Vernichtung am Rand des Skyrmionmaterials führen kann. Vorschläge zur Minderung dieser Probleme umfassen die Schaffung eines Potentialtopfes, der höhere Skyrmionengeschwindigkeiten ermöglicht, indem die Skyrmionen entlang eines gewünschten Pfades geführt werden, oder eine Entwicklung hin zu Spintronikgeräten mit antiferromagnetischen Bausteinen. Hier kommen z. B. antiferromagnetische Skyrmionen in Frage, die ein vernachlässigbares Streufeld haben, keinen Skyrmion-Hall-Effekt aufweisen und für die im Allgemeinen eine schnellere Dynamik erwartet wird.
In dieser Arbeit wird die spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie (SP-STM) verwendet, um die Eigenschaften von skyrmionischen Zuständen und anderen nicht-kollinearen oder nicht-koplanaren Spinstrukturen, einschließlich antiferromagnetischer Single- und Multi-Q-Zustände, zu untersuchen. Im ersten Teil werden die Inselkanten eines etablierten Modellsystems für Skyrmionen – der atomare Doppelschicht aus Pd/Fe auf Ir(111) – mit einem ferromagnetischen Rand dekoriert. Dieser Rand verhindert die Vernichtung von Skyrmionen an der Inselkante, stabilisiert Skyrmionen und Target-States im Nullfeld und führt dazu, dass bei angelegten Magnetfeldern Skyrmionen an der Inselkante gepinnt werden. Anschließend werden Spindynamik-Simulationen eingesetzt, um zu untersuchen, welche Arten von anziehenden und abstoßenden Wechselwirkungen zwischen Skyrmion und Inselkante die beobachteten Effekte hervorrufen können. Im zweiten Teil wird die antiferromagnetische Mn Monolage auf Re(0001) untersucht, was zur Entdeckung des reihenweisen antiferromagnetischen Single-Q und des sogenannten Tripel-Q-Zustands führt. Bei ersterem handelt es sich um eine kollineare Spinstruktur mit neuartigen nicht-kollinearen Domänenwanden, die aus einem Doppel-Q-Überlagerungszustand bestehen. Der Tripel-Q-Zustand ist ein nicht-koplanarer Multi-Q-Zustand, der durch Austauschwechselwirkungen höherer Ordnung stabilisiert wird. Diese beiden Zustände existieren in unterschiedlichen Stapelungen der Mn Monolage. Im letzten Teil wird die Oberfläche des zentrosymmetrischen GdRu2Si2 Festkörperkristalls untersucht. GdRu2Si2 wurde zuvor mit mehreren Techniken untersucht: Das magnetische Phasendiagramm von GdRu2Si2 besteht aus mehreren Multi-Q-Zuständen einschließlich eines Skyrmionengitters in einem senkrechten Feld von B = 2.5 T. Hier werden nun unter Verwendung der spinpolarisiertem STM-Technik Beweise für die Multi-Q-Natur der verschiedenen magnetischen Zustände geliefert. Zudem werden Details der magnetischen und elektronischen Kontrastmechanismen diskutiert im Vergleich mit Modellrechnungen. Zuletzt wird bestätigt, dass die Gd-terminierte Oberfläche zusätzliche magnetische Phasenübergänge zeigt, die weder für die Si-terminierte Oberfläche oder den GdRu2Si2 Volumenkristall beobachtet werden.
Magnetic skyrmions are topologically protected whirls in the spin structure that are of great interest due to their stability and particle-like nature. However, skyrmions have certain characteristics, which can be detrimental to their usage in any type of spintronic application. For example, they typically require external magnetic fields to be stabilized and gain a transversal component under lateral movement (skyrmion Hall effect), which can lead to skyrmion annihilation at the edge of the skyrmion hosting material. One proposal to mitigate these problems is the creation of a potential well that allows higher skyrmion velocities by guiding the skyrmions along a desired pathway. Alternatively, there is also a push towards the development of spintronics devices with antiferromagnetic building blocks, e. g. antiferromagnetic skyrmions, which have a negligible stray field, do not show the skyrmion Hall effect and are expected to have generally faster dynamics. In this thesis, the spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) technique is utilized to investigate the properties of skyrmionic states and other non-collinear or non-coplanar spin structures, including antiferromagnetic single- and multi-Q states. In the first part, the island edges of a well established skyrmion model system—the atomic bilayer of Pd/Fe on Ir(111)—are decorated with a ferromagnetic rim. This rim prevents skyrmion annihilation at the film edge, stabilizes skyrmions and target states in zero field and also gives rise to edge-pinned skyrmions in applied magnetic fields. Following this, spin dynamics simulations are employed to investigate what types of attractive and repulsive skyrmion-edge interactions can explain the observed effects. In the second part, the antiferromagnetic Mn monolayer on Re(0001) is investigated, which leads to the discovery of the row-wise antiferromagnetic single- and the so-called triple-Q state. The former is a collinear spin state with a new type of non-collinear domain wall that is made up of a double-Q superposition state. The latter is a non-coplanar multi-Q state that is stabilized by higher-order exchange interactions. Both of these states exist in different stackings of the Mn monolayer. In the final part, the surface of the centrosymmetric GdRu2Si2 bulk crystal is investigated. GdRu2Si2 has been previously investigated using multiple techniques: The magnetic phase diagram of GdRu2Si2 consists of several multi-Q states including a skyrmion lattice in a perpendicular field of B = 2.5 T. Here, using SP-STM, evidence for the multi-Q nature of the different magnetic ground states is provided and details of the magnetic and electronic contrast mechanisms are discussed with support from theory. Finally, it is confirmed that the Gd-terminated surface shows additional magnetic phase transitions that are not observed for the Si-terminated surface or the GdRu2Si2 bulk crystal.