Eine grundlegende Voraussetzung für die Entwicklung zukünftiger Datenspeichertechnologien ist das detaillierte Verständnis des thermischen und spinstrominduzierten Schaltens von nanoskaligen Magneten.
In dieser Arbeit wird das thermische Schaltverhalten von magnetischenNanoinseln uniaxialer Anisotropie mittels spinpolarisierter Rastertunnelmikroskopie (Spin-Polarized Scanning Tunneling Microscopy, SP-STM) untersucht. Dabei besteht jede der Nanoinseln aus ca. 100 Eisenatomen, die sich auf einer reinen Wolfram(110)-Oberfläche befinden. Die hier vorgestellten Experimente zeigen, dass die thermisch aktivierte Magnetisierungsumkehr durch die Nukleation und anschließende Diffusion einer Domänenwand innerhalb einer Nanoinsel hervorgerufen wird. Atome am Rand der Insel haben dabei eine im Vergleich zum Zentrum deutlich erhöhte magnetische Anisotropie.
Das thermische Schaltverhalten der Magnetisierung einzelner Nanoinseln wird mittels hoher spin-polarisierter Tunnelströme im μA-Bereich gezielt beeinflusst. Während bei niedrigem Tunnelstrom beide Magnetisierungszustände die gleiche mittlere Lebenszeit zeigen, bildet sich mit zunehmendem Tunnelstrom eine Asymmetrie der Lebenszeiten aus. Die Kombination mit ortsaufgelösten Daten ermöglicht dabei die Trenung und quantitative Bestimmung von drei fundamentalen Effekten, die zum strominduzierten Schalten beitragen: Das reine Spinstromschalten durch Spinübertrag, das Joule’sches Aufheizen der Nanoinsel durch den Tunnelstrom, und Einflüsse des Oersted-Feldes. In einem Temperaturbereich, in dem die Magnetisierung der Nanoinseln quasistabil ist, werden manuell ausgelöste spin-polarisierte Strompulse genutzt, um die Magnetisierung einer Nanoinsel zu schalten.
In diesen Experimenten wird die magnetische Manipulation nanoskaliger Objekte mittels SP-STM demonstriert. Das strominduzierte Schalten über eine Vakuumbarriere in Kombination mit der hohen Ortsauflösung von SP-STM ermöglicht es dabei, ein vertieftes Verständnis der Prozesse zu gewinnen, die zum Schalten der Magnetisierung beitragen.
Future high-density magnetic data storage demands both, a detailed understanding of the magnetic reversal processes as well as a basic concept of local magnetization switching by the injection of a spin-polarized current.
Within this work, the intrinsic thermal switching behavior of magnetic iron nanoislands with uniaxial anisotropy is investigated by means of spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM). The islands typically contain about 100 iron atoms on a clean tungsten(110) substrate. The experiments reveal that magnetization reversal takes place via the nucleation and diffusion of a domain wall. Atoms on the rim of the islands have a significantly higher anisotropy energy than center atoms.
The thermal switching behavior of individual nanoislands has been influenced using high spin-polarized tunnel currents in the μA range. Analysis of the thermal switching behavior as a function of the applied tunnel current shows an increased lifetime asymmetry of the two otherwise degenerate magnetic orientations with increasing tunnel current. Spatially-resolved data permit the three fundamental contributions involved in magnetization switching to be identified and quantified, i.e. pure spin torque, Joule heating of the island by the tunnel current, and Oersted field effects. The magnetization of quasistable islands has been reversed using manually triggered high tunnel current pulses.
The experiments demonstrate nanoscale magnetic manipulation using an SP-STM probe tip. Combined current-induced magnetization reversal across a vacuum barrier and the ultimate resolution of SP-STM provide an improved understanding of the magnetization switching mechanisms.