Mit der Entwicklung der Magnetischen Austauschkraftmikroskopie (MAKM) besteht heute die Möglichkeit, einzelne Spins, sowohl auf isolierenden, als auch auf metallischen Probenoberflächen auf atomarer Skala aufzulösen. Basierend auf dieser Entwicklung zeigt diese Arbeit den magnetischen Kontrast der antiferromagnetischen Eisen-Monolage auf W(001), der sich durch ein Zusammenspiel aus chemischen und magnetischen Austauschkräften erklären lässt.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde die MAKM um eine spektroskopische Methode erweitert, die sogenannte Magnetische Austauschkraftspektroskopie (MAKS). Dieser Modus erlaubt erstmalig, Stärke und Distanzabhängigkeit der magnetischen Austauschenergie zwischen einzelnen Spins direkt und quantitativ über eine Vakuumbarriere hinweg zu messen.
Gleichzeitig wurde das Dissipationssignal, ein Maß für den Energieverlust einzelner Schwingungszyklen des Federbalkens, herangezogen, um die verwendeten Messspitzen zu charakterisieren. Die Möglichkeit einer Kombination aus MAKS, Dissipationsspektroskpie und dreidimensionaler Kraftspektroskopie wird erstmalig experimentell demonstriert. Auf der Grundlage der präsentierten Erkenntnisse soll diese Arbeit als Einführung in die Magnetische Austauschkraftmikroskopie und -spektroskopie dienen. Das Langfristige Ziel sollte sein, beide Methoden zu unverzichtbaren Werkzeugen in der Oberflächenphysik zu machen. Sie sollen genutzt werden, um offene Fragen in den Bereichen Nanomagnetismus und Spintronic klären zu können.
The invention of Magnetic Exchange Force Microscopy (MExFM) opened up the possibility of atomic scale studies with single spin sensitivity on insulating as well as on conducting surfaces in real space. Going beyond a proof of principle, this work reveals the contrast mechanism on Fe/W(001) as peculiar interplay between magnetic exchange and chemical forces.
In the framework of this study, the spectroscopic mode of MExFM, i.e. Magnetic Exchange Force Spectroscopy (MExFS), is developed and presented for the first time. This mode allows one to directly and quantitatively measure the strength of the magnetic exchange interaction between single spin states of probe and sample across a vacuum gap.
The dissipation signal, reflecting the energy loss during single cantilever oscillation cycles due to non-conservative processes, is employed to characterize the probe state throughout the MExFM experiments. Moreover, the feasibility of MExFS in combination with three-dimensional force and dissipation mapping is experimentally demonstrated. This work shall serve as a guide to Magnetic Exchange Force Microscopy and Spectroscopy with the aim to make both techniques indispensable tools in the field of surface science. Both shall be used to address open questions concerning nano-magnetism and spintronics.