Neue Methode zur Abbildung magnetischer Nanostrukturen auf atomarer Skala

21. Januar 2021

Foto: UHH, Lucas Schneider

Skizze einer STM-Spitze, die mit einem YSR-Atom begrenzt ist, das zwei spinpolarisierte Peaks (Pfeile nach oben und unten) aufweist, und dreidimensionale Ansicht eines Rastertunnelmikroskopie-Bildes, das fünf antiferromagnetisch gekoppelte Mn-Atome auf einer Nb(110)-Oberfläche zeigt. Die Tunnelspektroskopie zeigt eine signifikante Änderung der Asymmetrie des YSR-Zustands beim Tunneln in die jeweiligen nach oben und unten spinpolarisierten Atome (rote und blaue Linien über den Atomen).

Forschende vom Institut für Nanostruktur- und Festkörperphysik der Universität Hamburg haben eine neue experimentelle Methode zur Abbildung atomarer magnetischer Spinstrukturen mit maximalem Kontrast entdeckt. Die Studie erschien diese Woche in der Zeitschrift Science Advances.

Die Entwicklung der spinpolarisierten Rastertunnelmikroskopie (SP-RTM) in den 1990er Jahren hat das Gebiet der magnetischen Nanostrukturen revolutioniert und den Zugang zu lokalen Spintexturen auf atomarer Ebene ermöglicht. Der mit dieser Technik erreichbare maximale Kontrast wird durch die magnetische Polarisation der Mikroskopspitze begrenzt, die über die zu untersuchende Probe gerastert wird.

Die Physiker um Prof. Roland Wiesendanger, der auch im Exzellenzcluster „CUI: Advanced Imaging of Matter“ forscht, haben nun eine Methode eingeführt, um den Spin-Kontrast mit maximaler Effizienz zu messen. Dabei verwenden sie magnetische Eisenatome, die an RTM-Spitzen aus supraleitendem Niob angeheftet werden. Solche magnetischen Störstellen beeinflussen den Supraleiter und induzieren lokal gebundene Zustände, die zu 100% spinpolarisiert sind.

Perfekt spinpolarisierter Strom

Das Tunneln durch diese Zustände ergibt einen perfekt spinpolarisierten Strom, mit dem die Forschenden Spintexturen einer Probe bis auf die Skala einzelner Atome auslesen können. „Auf diese Weise lässt sich der Spin-Kontrast von RTM-Spitzen um bis zu einer Größenordnung erhöhen“, sagt Lucas Schneider, Erstautor und Doktorand in der Arbeitsgruppe. Der Effekt wurde an Mangan-Nanomagneten gemessen, die sich auf einer Niob(110)-Oberfläche befinden.

Zugang zu dieser Art von Spin-Information ist wichtig für die Weiterentwicklung der Spintronik auf der Nanometer-Skala und kann dazu beitragen, die interessante Physik exotischer Zustände in hybriden Magnet-Supraleiter-Nanostrukturen zu erschließen.

Originalpublikation:

L. Schneider, Ph. Beck, J. Wiebe and R. Wiesendanger

"Atomic-scale spin-polarization maps using functionalized superconducting probes"

Science Advances 7, eabd7302 (2021)

DOI: 10.1126/sciadv.abd7302