Sub 1K UHV scanning tunneling microscope made of shapal and mapping of magnetic skyrmion collapse rates

Muckel, Florian; Lounis, Samir; Morgenstern, Markus

doi:10.18154/RWTH-2020-12268

Sub 1K UHV scanning tunneling microscope made of shapal and mapping of magnetic skyrmion collapse rates

Muckel, Florian^RWTH*

2020 & 2021

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Diplom-Physiker Florian Muckel

ImpressumAachen 2020

Umfang1 Online-Ressource (163 Seiten) : Illustrationen, Diagramme

Dissertation, RWTH Aachen University, 2020

Veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2021

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Morgenstern, Markus (Thesis advisor)^RWTH* ; Lounis, Samir (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2020-12-14

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2020-12268
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/808744/files/808744.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
STM (frei) ; Shapal (frei) ; collapse (frei) ; cryogenic (frei) ; scanning tunneling microscope (frei) ; skyrmion (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Diese Arbeit gliedert sich in zwei Teile. Der erste Teil beschreibt das Design und die Charakterisierung einer Ultrahochvakuum (UHV) Rastertunnelmikroskopie (RTM) Anlage, welche bei einer kontinuierlichen Basistemperatur von 1.1 K und Magnetfeldern bis zu 3 T betrieben wird. Durch den Austausch des im geschlossenen Joule-Thomson Kreislauf verwendeten $^4$He zu $^3$He wird erwartet zukünftig Temperaturen von 0.5 K zu erreichen. Das Konzept eines versatilen Multikammernsystems mit der Möglichkeit RTM Spitzen und Proben verschiedener Größe im UHV zu präparieren, ist auf die Zugänglichkeit für eine größere Gruppe möglicher Nutzer ausgelegt. Das System ist, in Hinblick auf in-situ Präparation, mit einer kommerziell erhältlichen Ionenquelle, sowie in-situ wechselbaren Elektronenstrahlverdampfern und verschiedenen Probenheizungen bis zu 2700 K ausgestattet, die speziell für die Anlage konzipiert wurden. Zur Oberflächencharakterisierung dient eine implementierte LEED/Auger Einheit, sowie ein Massenspektrometer. Das grundlegende Konzept des keramikbasierten RTM sowie die Implementierung in den Kryostaten werden im Detail diskutiert. Das Mikroskop ist mit einer kapazitiven Positionsauslese ausgestattet sowie der Möglichkeit hochfrequente Spannungssignale bis zu 10 GHz zum Tunnelkontakt zu leiten. Eine Zeitauflösung von 420 ps und eine mechanische Stabilität von $\delta_{z} \leq 2 $pm bei einer Bandbreite von 1 kHz wurden ermittelt. Durch das Auswerten der supraleitenden Bandlücke einer aufgedampften Schicht Pb auf einem W (110) Kristall wird die Energieauflösung von 0.4 meV bei einer Temperatur von 1.2 K bestimmt. Um von außen einkoppelnde Schwingungen, sowie akustische und elektrische Störungen, zu unterdrücken wird ein erweitertes Isolationskonzept entwickelt. Dieses beinhaltet einen Schallschutzraum aus 70 t gegossenem Beton, der komplett vom Gebäude entkoppelt ist. Zusätzlich befindet sich die Anlage in einem eigens für den Aufbau entwickelten Gestell, welches von einer weiteren passiven und aktiven Dämpfungsstufe getragen wird. Die Anlage konnte ihm Rahmen dieser Arbeit, aufgrund eines fehlerhaften Magneten seitens des Herstellers, nicht fertiggestellt werden. Aus diesem Grund mussten weiterführende Messungen von magnetischen Skyrmionen an einer anderen Anlage durchgeführt werden. Zudem stellt die Charakterisierung der Anlage teilweise nicht den endgültigen Stand dar. Im zweiten Teil dieser Arbeit wird der Einfluss eines Magnetfeldes parallel zur Probenoberfläche auf den Kollaps und die Erzeugung magnetischer Skyrmionen in der Palladium/Eisen (Pd/Fe) Doppellage auf der (111) Oberfläche von Iridium analysiert. Unter Magnetfeldern senkrecht zur Probenoberfläche zeigt dieses System magnetische Skyrmionen. Diese sind durch eine lokalisierte, nichtkollineare, Spinkonfiguration charakterisiert, welche topologisch durch eine lokale ganzzahlige Windungszahl geschützt ist. Auf einem diskreten Atomgitter ist dieser Schutz unvollständig, manifestiert sich jedoch als hohe Energiebarriere zwischen dem metastabilen Skyrmionzustand und der ferromagnetisch einheitlichen Ausrichtung. Durch Anlegen eines Magnetfeldes parallel zur Probenoberfläche bis zu $B_\parallel $=3 T konnte ich die Kollapsrate der Skyrmionen um bis zu vier Größenordnungen beeinflussen, während die Erzeugungsrate hingegen kaum beeinflusst wurde. Der Vergleich dieser Ergebnisse mit theoretisch ermittelten Raten, unter der Annahme eines Arrhenius-artigen Verhaltens, zeigt eine gute Übereinstimmung mit unseren Ergebnissen. Dies impliziert ein thermisches Modell für den Einfluss eines einzelnen tunnelnden Elektrons, das einen Teil des Skyrmions kurzzeitig aufheizt, wodurch der Kollaps ermöglicht wird. Durch Ausnutzung der hohen lateralen Auflösung des RTM war es mir möglich den Mechanismus des Skyrmionkollapses über den üblicherweise unzugänglichen Übergangszustand zu entschlüsseln. Da sich der Kollaps in Zeitskalen von Femtosekunden entwickelt, ist dieser Übergangszustand für RTM Messungen nicht direkt zugänglich. Das Auswerten der elektroninduzierten Schaltraten einzelner Skyrmionen in Abhängigkeit von der Position der RTM-Spitze offenbart allerdings ein radialsymmetrisches Muster, falls kein Magnetfeld parallel zur Probenoberfläche angelegt ist. Durch Anlegen eines Magnetfeldes parallel zur Probenoberfläche zeigt sich hingegen ein stark asymmetrisches Muster der Schaltrate. Dies konnte durch quantitative Analyse und Vergleich mit Theoriedaten mit dem kürzlich vorgeschlagenen Chimera-Kollaps in Zusammenhang gebracht werden, welcher durch einen topologischen Dipol während des Übergangs charakterisiert ist.

This thesis is separated into two main parts. The first part describes the design and performance of an ultra high vacuum (UHV) scanning tunneling microscope (STM) system proven to be operating at a continuous base temperature of 1.1 K in magnetic fields up to 3 T. Via exchanging the $^4$He with $^3$He in the Joule-Thomson closed cycle it is anticipated to reach 0.5 K in the future. The concept of a versatile multi-chamber system hosting the ability for preparation of STM tips and samples of different sizes aims to give access to a wider group of possible users. For in-situ preparation the system is equipped with a commercially available ion source, home built in-situ exchangeable electron beam evaporators and different heating stages for STM tips or samples up to 2700 K.Surface analysis can be carried out via an implemented LEED/Auger unit and a quadrupole mass spectrometer. The design and implementation into the cryostat of the ceramic-based STM is discussed in detail. It features a capacitive position readout and the ability to guide high frequency voltage pulses up to 10 GHz down to the tunneling junction. A time resolution of 420 ps and a noise level between tip and sample of $\delta_{\mathrm{z}}\leq2$ pm at a bandwidth of 1 KHz is determined. Evaluating the superconducting gap of an evaporated Pd layer on a W(110) crystal verifies an energy resolution of 0.4 meV at 1.2 K. The suppression of external vibrations and of acoustic as well as electrical noise is realized by an advanced insulation concept. This features a 70 ton concrete room which is decoupled from the building and is hosting a specially designed frame for the instrument employing further active and passive damping stages. The instrument could not be finalized in this thesis due to a not functioning magnet delivered by the company, such that further measurements on magnetic skyrmions had to be performed at a different system. Hence, part of the characterization of the instrument is not final. In the second part of this thesis, the influence of an in-plane magnetic field on the collapse and creation of magnetic skyrmions in the palladium/ iron (Pd/Fe) bilayer on a clean Iridium (111) surface is analysed. Under magnetic fields parallel to the surface normal this system hosts magnetic skyrmions, characterized by a non-collinear spin arrangement which is topologically protected by a local integer winding number. On a discrete atomic lattice the protection is incomplete but still manifests as a large energy barrier between the metastable skyrmion state and the ferromagnetic uniform ordering. By the application of an in-plane magnetic field up to $B_\parallel =$ 3 T i could tune the collapse rate of the skyrmions by up to four orders of magnitude, while the creation rate was barely affected. The comparison of these results with theoretically obtained rates assuming a quasi equilibrium Arrhenius behaviour exhibits a good agreement with our findings. This implies a thermal model of the impact of a single tunneling electron that just shortly heats part of the skyrmion enabling the collapse. By taking advantage of the high lateral resolution of the STM i could unravel the mechanism of the skyrmion collapse, via accessing the commonly elusive transition state. As the collapse develops on timescales of femto-seconds the transition state is not directly accessible by STM. However the electron induced switching rates of individual skyrmions are evaluated in dependency on the STM tip position featuring a radial symmetric pattern without in-plane magnetic field an an asymmetric pattern with in-plane magnetic field. The latter could be related by quantitative comparison with theory to the recently proposed chimera type collapse mechanism proceeding via a topological dipole at the transition.

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