Kurzfassung
Das Prinzip von Topologie in der Physik der kondensierten Materie hat in den letzten Jahrzehnten aufgrund seiner möglichen Anwendungen viel Aufmerksamkeit erregt. Im Bereich der magnetischen Systeme sind nichtkollineare Spinstrukturen wie Skyrmionen und Meronen, vielversprechende Kandidaten für zukünftige Spintronik-Bauelemente. Ein Ansatz für die Realisierung von Quantencomputern ist die Nutzung des topologischen Schutzes von Randmoden an der Grenze topologisch nichttrivialer Volumensysteme, z. B. in topologischen Supraleitern. Um topologische Supraleitung zu erreichen, sind so genannte zweidimensionale Magnet-Supraleiter-Hybride vielversprechende Kandidaten für die Realisierung von Topologie-basierten Quantentechnologien und der supraleitenden Spintronik. Magnet-Supraleiter-Hybride mit einer kollinearen Spin-Ausrichtung konnten bereits in anderen Arbeiten untersucht werden, die experimentelle Untersuchung von nichtkollinearen Spin-Texturen auf einem s-Wellen-Supraleiter steht jedoch noch aus. In dieser Arbeit wird die erste Beobachtung von Skyrmionen in der Größenordnung einiger Nanometer auf einem quadratsymmetrischen Gitter im Probensystem einer Monolage Mn auf W(001) dargelegt. Mit Hilfe der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie im Sub-Kelvin Bereich zeigt die Mn-Monolage einen interessanten Mischzustand, bestehend aus einer Spinspiralphase mit einer magnetischen Periode von P = 2, 2 nm und mehreren magnetischen Skyrmionen. Des Weiteren wird die Realisierung des ersten zweidimensionalen nicht-kollinearen Magnet-Supraleiter-Hybridsystems in der Monolage von Fe auf Ta(110) vorgestellt. Fe/Ta(110) weist eine Spinspirale mit einer magnetischen Periode von etwa P = 6 nm auf. Wie beim System Mn/W(001) geht der Spinspiralzustand von Fe/Ta(110) bei hohen Magnetfeldern von einigen Tesla in eine skyrmionische Phase über. Im Gegensatz zu Mn/W(001) sind die Skyrmionen elongiert aufgrund der vorliegenden (110)-Gitterymmetrie und existieren in einem ferromagnetischen Hintergrund. Abhängig von der Morphologie der Monolage bietet das System neben der Spinspirale auch einen in-plane ferromagnetischen Zustand mit nicht-kollinearen Domänenwandkonfigurationen. Eine Domänenwandorientierung ist durch eine Meron-Antimeron-Konfiguration entlang der Ausbreitungsrichtung der Spinspirale charakterisiert. Um die Wechselwirkung der Spinspirale mit der Supraleitung zu untersuchen, wurden die Proben mit einer Spinspirale als magnetischem Grundzustand bei einer Temperatur von T = 1, 3 K gemessen. Die spektroskopische Analyse zeigt Modulationen der In-Gap-Zustände im inneren Bereich der Fe-Monolage, während an den Grenzen der Fe-Monolage chirale Randzustände an geraden Kanten entlang der [001]-Richtung identifiziert werden. Darüber hinaus zeigen Tight-Binding Berechnungen, dass die unterschiedlichen Signalintensitäten entlang der Kanten in [001]-Richtung auf eine Abhängigkeit der Dispersion der chiralen Randzustände von der Spinorientierung der Spinspirale an der Kante zurückzuführen sind.
The concept of topology in condensed matter physics has received a lot of attention in recent decades, due to its possible utilization in several applications. In the field of unconventional computing, non-collinear spin textures such as skyrmions and merons possess a topological protection making them to promising candidates for commercial spintronic devices. An approach in the realization of quantum computing is to utilize topologically robust edge modes at the boundary of topological non-trivial bulk systems, e. g. in topological superconductors. To obtain topological superconductivity, so-called two-dimensional magnet-superconductor hybrids are promising candidate systems for the realization of topology-based quantum technologies and superconducting spintronics. Magnet-superconductor systems hosting spin textures with collinear spin alignment are already well established, however, the experimental investigation of non-collinear spin textures in the vicinity of an s-wave superconductor is still pending. In this thesis, the first observation of nanoscale skyrmions on a square symmetric lattice in one monolayer of Mn on W(001) is presented. By using low-temperature spin-polarized scanning tunneling microscopy, an interesting mixed state is found, consisting of a spin spiral texture background with a magnetic period of P = 2.2 nm and several magnetic skyrmions on the square symmetric crystal lattice surface of W(001). Further, the realization of the first two-dimensional non-collinear magnet-superconductor-hybrid system in the monolayer of Fe on Ta(110) is presented. Fe/Ta(110) exhibits a spin spiral texture with a magnetic period of approximately P = 6 nm. As for the system of Mn/W(001), the spin spiral state of Fe/Ta(110) is transitioning to a skyrmionic phase at high magnetic fields of a few Teslas. In contrast to Mn/W(001), the skyrmions are elongated due to the two-fold lattice symmetry and they occur in a ferromagnetic background. In Fe/Ta(110), depending on the morphology of the monolayer, the system offers beside the spin spiral texture also an in-plane ferromagnetic state with non-collinear domain wall configurations. One domain wall orientation is characterized by a meron-antimeron texture along the propagation direction of the spin spiral. To study the interaction between the spin spiral texture and superconductivity, the samples with a spin spiral as the magnetic ground state were measured at a temperature of T = 1.3 K. The spectroscopic analysis shows in-gap states modulations in the bulk area of the Fe monolayer, while at the boundaries of the Fe, chiral edge states are identified at straight edges along the [001]-direction. Furthermore, tight-binding calculations validate nodal-point superconductivity for the system and identify the different signal intensities along edges with the same crystallographic orientation as an effect of the local spin orientation at the edge onto the chiral edge state dispersion.