SFB 668: Magnetismus vom Einzelatom zur Nanostruktur
Chemie
Zusammenfassung der Projektergebnisse
In unserem SFB 668 "Magnetismus vom Einzelatom zur Nanostruktur" konzentrierten wir uns auf die Erarbeitung eines grundlegenden Verständnisses der statischen Spinstruktur und des dynamischen magnetischen Verhaltens von Atomen, Molekülen, Clustern, Nanoteilchen, Nanodrähten und lateral strukturierten Nanosystemen in Kontakt mit Substratoberflächen. Dabei standen in erster Linie fundamentale Fragestellungen der Magnetismusforschung im Vordergrund des Interesses, die jedoch in nicht allzu ferner Zukunft bereits große Bedeutung für Anwendungen in magnetischen Sensoren, Speichersystemen und Logik-Bauelementen erlangen werden. Um magnetische Eigenschaften auf atomarer Skala untersuchen zu können, entwickelten wir zahlreiche neue experimentelle Methoden, wie beispielsweise die Einzelatom-Magnetometrie für Magnetisierungsmessungen an Einzelatomen und -molekülen auf Oberflächen sowie die magnetische Austausch-Rasterkraftmikroskopie zur Abbildung atomarer magnetischer Strukturen auf Oberflächen von elektrisch isolierenden Materialien. Ferner entwickelten wir zahlreiche experimentelle Methoden zur Untersuchung des dynamischen Verhaltens von einzelnen magnetischen Atomen und Nanostrukturen, wie beispielsweise die zeitaufgelöste spinpolarisierte Rastertunnelmikroskopie, die zeitaufgelöste Rasterelektronenmikroskopie mit Polarisationsanalyse sowie zeitaufgelöste Röntgenmikroskopiemethoden. Ergänzend zur Entwicklung neuer experimenteller Methoden zur Untersuchung des Magnetismus auf atomarer und Nanometer-Skala wurden die theoretischen Methoden zur Behandlung atomarer magnetischer Systeme in Wechselwirkung mit Oberflächen vorangetrieben. Für komplexere magnetische Systeme erfolgte eine adäquate Modellierung und Behandlung mittels diverser Simulationsverfahren. Basierend auf der weltweit führenden Position unseres Sonderforschungsbereichs auf dem Gebiet der Untersuchung atomarer und nanoskaliger magnetischer Systeme konnten zahlreiche fundamentale Entdeckungen gemacht werden, wie beispielsweise chirale Spinspiralen sowie magnetische Skyrmionengitter und einzelne magnetische Skyrmionen in ultradünnen magnetischen Schichten, verursacht durch die Dzyaloshinskii-Moriya (DM)-Wechselwirkung an Grenzflächen. Damit haben wir das neue Gebiet der Skyrmionen-basierten Spintronik begründet, welches die Nutzbarmachung einzelner magnetischer Skyrmionen für magnetische Speicher- und Logikbauelemente zum Ziel hat. Ferner konnten wir mittels unseres neu entwickelten Verfahrens der Einzelatom-Magnetometrie erstmals magnetische Momente und magnetische Anisotropien von Atomen auf Oberflächen quantitativ bestimmen sowie die Distanz- und Richtungsabhängigkeit der indirekten magnetischen Austauschwechselwirkung sowie der DM- Wechselwirkung auf atomarer Skala ausmessen. Aus dieser Kenntnis heraus konnten wiederum erstmalig modellhafte Nanomagnete sowie spinbasierte Logikbauelemente, aufgebaut aus einzelnen magnetischen Atomen, konzipiert und schließlich experimentell realisiert werden, wodurch die ultimativen Grenzen der möglichen Miniaturisierung magnetischer Bauelemente aufgezeigt wurden. Gleichzeitig konnte erstmals die Dynamik atomarer magnetischer Systeme auf der intrinsischen Zeitskala beobachtet werden. Ein weiteres Highlight unserer Forschung im Rahmen dieses Sonderforschungsbereichs stellt die erstmalige Beobachtung der Spinstruktur einzelner Molekülorbitale dar sowie deren Beeinflussung durch die Wechselwirkung molekularer Systeme mit Oberflächen. Schließlich ist die erstmalige Beobachtung der atomaren Spinstruktur auf Oberflächen von Isolatoren durch die neue Methode der magnetischen Austausch- Rasterkraftmikroskopie hervorzuheben. Zusammenfassend betrachtet hat dieser Sonderforschungsbereich dazu beigetragen, dem international intensiv bearbeiteten Gebiet des Nanomagnetismus und der Spintronik neue Impulse zu verleihen sowie neue Forschungsrichtungen zu begründen.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Atomic spin structure of antiferromagnetic domain walls. Nature Materials 5, 477 (2006)
M. Bode, E. Y. Vedmedenko, K. von Bergmann, A. Kubetzka, P. Ferriani, S. Heinze, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nmat1646) - Chiral magnetic order at surfaces driven by inversion asymmetry. Nature 447, 190 (2007)
M. Bode, M. Heide, K. von Bergmann, P. Ferriani, S. Heinze, G. Bihlmayer, A. Kubetzka, O. Pietzsch, S. Blügel, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature05802) - Current-induced magnetization switching with a spin-polarized scanning tunneling microscope. Science 317, 1537 (2007)
S. Krause, L. Berbil-Bautista, G. Herzog, M. Bode, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1145336) - Magnetic exchange force microscopy with atomic resolution. Nature 446, 522 (2007)
U. Kaiser, A. Schwarz, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature05617) - Atomically resolved mechanical response of individual metallofullerene molecules confined inside carbon nanotubes. Nature Nanotechnology 3, 337 (2008)
M. Ashino, D. Obergfell, M. Haluska, S. Yang, A. N. Khlobystov, S. Roth, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2008.126) - Half-metallic ferromagnets: From band structure to many-body effects. Rev. Mod. Phys. 80, 315 (2008)
M. I. Katsnelson, V. Yu. Irkhin, L. Chioncel, A. I. Lichtenstein, and R. A. de Groo
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/RevModPhys.80.315) - Nanomechanical detection of itinerant electron spin flip. Nature Nanotechnology 3, 720 (2008)
G. Zolfagharkhani, A. Gaidarzhy, P. Degiovanni, S. Kettemann, P. Fulde, and P. Mohanty
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2008.311) - Revealing magnetic interactions from single-atom magnetization curves. Science 320, 82 (2008)
F. Meier, L. Zhou, J. Wiebe, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1154415) - Single-shot terahertz-field-driven X-ray streak camera. Nature Photonics 3, 523 (2009)
U. Frühling, M. Wieland, M. Gensch, T. Gebert, B. Schütte, M. Krikunova, R. Kalms, F. Budzyn, O. Grimm, J. Rossbach, E. Plönjes, and M. Drescher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphoton.2009.160) - Spin mapping at the nanoscale and atomic scale. Rev. Mod. Phys. 81, 1495 (2009)
R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/RevModPhys.81.1495) - Detecting excitation and magnetization of individual dopants in a semiconductor. Nature 467, 1084 (2010)
A.A. Khajetoorians, B. Chilian, J. Wiebe, S. Schuwalow, F. Lechermann, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nature09519) - Imaging and manipulating the spin direction of individual atoms. Nature Nanotechnology 5, 350 (2010)
D. Serrate, P. Ferriani, Y. Yoshida, S.-W. Hla, M. Menzel, K. von Bergmann, S. Heinze, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2010.64) - Strength and directionality of surface Ruderman-Kittel-Kasuya-Yosida interaction mapped on the atomic scale. Nature Physics 6, 187 (2010)
L. Zhou, J. Wiebe, S. Lounis, E. Vedmedenko, F. Meier, S. Blügel, P. H. Dederichs, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys1514) - Continuous-time Monte Carlo methods for quantum impurity models. Rev. Mod. Phys. 83, 349 (2011)
E. Gull, A. J. Millis, A. I. Lichtenstein, A. N. Rubtsov, M. Troyer, and P. Werner
(Siehe online unter https://doi.org/10.1103/RevModPhys.83.349) - Realizing all-spin-based logic operations atom by atom. Science 332, 1062 (2011)
A.A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1201725) - Spontaneous atomic-scale magnetic skyrmion lattice in two dimensions. Nature Physics 7, 713 (2011)
S. Heinze, K. von Bergmann, M. Menzel, J. Brede, A. Kubetzka, R. Wiesendanger, G. Bihlmayer, and S. Blügel
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys2045) - Tunable negligible-loss energy transfer between dipolar-coupled magnetic disks by stimulated vortex gyration. Scientific Reports 1, 59 (2011)
H. Jung, K.-S. Lee, D.-E. Jeong, Y.-S. Choi, Y.-S. Yu, D.-S. Han, A. Vogel, L. Bocklage, G. Meier, M.-Y. Im, P. Fischer, and S.-K. Kim
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep00059) - Atom-by-atom engineering and magnetometry of tailored nanomagnets. Nature Physics 8, 497 (2012)
A. A. Khajetoorians, J. Wiebe, B. Chilian, S. Lounis, S. Blügel, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nphys2299) - Real-space observation of spin-split molecular orbitals of adsorbed singlemolecule magnets. Nature Communications 3, 953 (2012)
J. Schwöbel, Y. Fu, J. Brede, A. Dilullo, G. Hoffmann, S. Klyatskaya, M. Ruben, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms1953) - Ultrafast optical demagnetization manipulates nanoscale spin structure in domain walls. Nature Communications 3, 1100 (2012)
B. Pfau, S. Schaffert, L. Müller, C. Gutt, A. Al-Shemmary, F. Büttner, R. Delaunay, S. Düsterer, S. Flewett, R. Frömter, J. Geilhufe, E. Guehrs, C.M. Günther, R. Hawaldar, M. Hille, N. Jaouen, A. Kobs, K. Li, J. Mohanty, H. Redlin, W.F. Schlotter, D. Stickler, R. Treusch, B. Vodungbo, M. Kläui, H.P. Oepen, J. Lüning, G. Grübel, and S. Eisebitt
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms2108) - Current-driven spin dynamics of artificially constructed quantum magnets. Science 339, 6115 (2013)
A. A. Khajetoorians, B. Baxevanis, C. Hübner, T. Schlenk, S. Krause, T. O. Wehling, S. Lounis, A. Lichtenstein, D. Pfannkuche, J. Wiebe, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1228519) - Time-resolved imaging of nonlinear magnetic domain-wall dynamics in ferromagnetic nanowires. Scientific Reports 3, 1737 (2013)
F.-U. Stein, L. Bocklage, M. Weigand, and G. Meier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep01737) - Wave modes of collective vortex gyration in dipolar-coupled-dot-array magnonic crystals. Scientific Reports 3, 2262 (2013)
D.-S. Han, A. Vogel, H. Jung, K.-S. Lee, M. Weigand, H. Stoll, G. Schütz, P. Fischer, G. Meier and S.-K. Kim
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep02262) - Writing and deleting single magnetic skyrmions. Science 341, 636 (2013)
N. Romming, C. Hanneken, M. Menzel, J. E. Bickel, B. Wolter, K. von Bergmann, A. Kubetzka, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1126/science.1240573) - Long-range magnetic coupling between nanoscale organic-metal hybrids mediated by a nanoskyrmion lattice. Nature Nanotechnology 9, 1018 (2014)
J. Brede, N. Atodiresei, V. Caciuc, M. Bazarnik, A. Al-Zubi, S. Blügel, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2014.235) - Spin-resolved imaging and spectroscopy of individual molecules with sub-molecular spatial resolution. MRS Bulletin 39, 608 (2014)
J. Brede and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1557/mrs.2014.127) - Stochastic formation of magnetic vortex structures in asymmetric disks triggered by chaotic dynamics. Nature Communications 5, 5620 (2014)
M.-Y. Im, K.-S. Lee, A. Vogel, J.-I. Hong, G. Meier, and P. Fischer
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms6620) - Electrical detection of magnetic skyrmions by tunnelling non-collinear magnetoresistance. Nature Nanotechnology 10, 1039 (2015)
C. Hanneken, F. Otte, A. Kubetzka, B. Dupé, N. Romming, K. von Bergmann, R. Wiesendanger, and S. Heinze
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2015.218) - Imaging spin dynamics on the nanoscale using X-Ray microscopy. Front. Phys. 3, 26 (2015)
H. Stoll, M. Noske, M. Weigand, K. Richter, B. Krüger, R. M. Reeve, M. Hänze, C.F. Adolff, F.-U. Stein, G. Meier, M. Kläui and G. Schütz
(Siehe online unter https://doi.org/10.3389/fphy.2015.00026) - Magnetic interactions in strongly correlated systems: Spin and orbital contributions. Annals of Physics 360, 61 (2015)
A. Secchia, A.I. Lichtenstein, and M.I. Katsnelson
(Siehe online unter https://doi.org/10.1016/j.aop.2015.05.002) - Stability of single skyrmionic bits. Nature Communications 6, 8455 (2015)
J. Hagemeister, N. Romming, K. von Bergmann, E.Y. Vedmedenko, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms9455) - Tuning emergent magnetism in a Hund's impurity. Nature Nanotechnology 10, 958 (2015)
A. A. Khajetoorians, M. Valentyuk, M. Steinbrecher, T. Schlenk, A. Shick, J. Kolorenc, A. I. Lichtenstein, T. O. Wehling, R. Wiesendanger and J. Wiebe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2015.193) - Absence of a spin-signature from a single Ho adatom as probed by spin-sensitive tunneling. Nature Communications 7, 10454 (2016)
M. Steinbrecher, A. Sonntag, M. dos Santos Dias, M. Bouhassoune, S. Lounis, J. Wiebe, R. Wiesendanger, and A. A. Khajetoorians
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms10454) - Collective modes in threedimensional magnonic vortex crystals. Scientific Reports 6, 22402 (2016)
M. Hänze, C. F. Adolff, B. Schulte, J. Möller, M. Weigand, and G. Meier
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep22402) - Direct observation of isolated Damon-Eshbach and backward volume spin-wave packets in ferromagnetic microstripes. Scientific Reports 6, 22117 (2016)
P. Wessels, A. Vogel, J.-N. Tödt, M. Wieland G. Meier, and M. Drescher
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/srep22117) - Nanoscale magnetic skyrmions in metallic films and multilayers: a new twist for spintronics. Nature Reviews Materials 1, 16044 (2016)
R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/natrevmats.2016.44) - Tailoring the chiral magnetic interaction between two individual atoms. Nature Communications 7, 10620 (2016)
A. A. Khajetoorians, M. Steinbrecher, M. Ternes, M. Bouhassoune, M. dos Santos Dias, S. Lounis, J. Wiebe, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms10620) - A gateway towards non-collinear spin processing using three-atom magnets with strong substrate coupling. Nature Communications 8, 642 (2017)
J. Hermenau, J. Ibañez-Azpiroz, Chr. Hübner, A. Sonntag, B. Baxevanis, K. T. Ton, M. Steinbrecher, A. A. Khajetoorians, M. dos Santos Dias, S. Blügel, R. Wiesendanger, S. Lounis, and J. Wiebe
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/s41467-017-00506-7) - Electric-field-driven switching of individual magnetic Skyrmions. Nature Nanotechnology 12, 123 (2017)
P.-J. Hsu, A. Kubetzka, A. Finco, N. Romming, K. von Bergmann, and R. Wiesendanger
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/nnano.2016.234) - Towards colloidal spintronics through Rashba spin-orbit interaction in lead sulphide nanosheets. Nature Communications 8, 15721 (2017)
M. M. R. Moayed, T. Bielewicz, M. S. Zöllner, C. Herrmann, and C. Klinke
(Siehe online unter https://doi.org/10.1038/ncomms15721)
