Spin-polarized scanning tunneling microscopy (SP-STM) experiments on ultrathin films with non-collinear spin textures demonstrate that resonant tunneling allows for atomic-scale spin-sensitive imaging in real space at tip-sample distances of up to 8 nm. Spin-polarized resonance states evolving between the foremost atom of a magnetic probe tip and the opposed magnetic surface atom are found to provide a loophole from the hitherto existing dilemma of losing spatial resolution when increasing the tip-sample distance in a scanning probe setup. Bias-dependent series of SP-STM images recorded via resonant tunneling reveal spin sensitivity at resonance conditions, indicating that the spin-polarized resonance states act as mediators for the spin contrast across the nm-spaced vacuum gap. With technically feasible distances in the nm regime, resonant tunneling in SP-STM qualifies for a spin-sensitive read-write technique with ultimate lateral resolution in future spintronic applications.

1.
R.
Wiesendanger
,
Nat. Rev. Mater.
1
,
16044
(
2016
).
2.
A.
Kovács
,
J.
Caron
,
A. S.
Savchenko
,
N. S.
Kiselev
,
K.
Shibata
,
Z.-A.
Li
,
N.
Kanazawa
,
Y.
Tokura
,
S.
Blügel
, and
R. E.
Dunin-Borkowski
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
192410
(
2017
).
3.
W.
Legrand
,
D.
Maccariello
,
F.
Ajejas
,
S.
Collin
,
A.
Vecchiola
,
K.
Bouzehouane
,
N.
Reyren
,
V.
Cros
, and
A.
Fert
,
Nat. Mater.
19
,
34
(
2020
).
4.
S.
Heinze
,
K.
von Bergmann
,
M.
Menzel
,
J.
Brede
,
A.
Kubetzka
,
R.
Wiesendanger
,
G.
Bihlmayer
, and
S.
Blügel
,
Nat. Phys.
7
,
713
(
2011
).
5.
S.
McVitie
,
S.
Hughes
,
K.
Fallon
,
S.
McFadzean
,
D.
McGrouther
,
M.
Krajnak
,
W.
Legrand
,
D.
Maccariello
,
S.
Collin
,
K.
Garcia
,
N.
Reyren
,
V.
Cros
,
A.
Fert
,
K.
Zeissler
, and
C. H.
Marrows
,
Sci. Rep.
8
,
5703
(
2018
).
6.
S.
Meyer
,
M.
Perini
,
S.
von Malottki
,
A.
Kubetzka
,
R.
Wiesendanger
,
K.
von Bergmann
, and
S.
Heinze
,
Nat. Commun.
10
,
3823
(
2019
).
7.
P.-J.
Hsu
,
L.
Rózsa
,
A.
Finco
,
L.
Schmidt
,
K.
Palotás
,
E.
Vedmedenko
,
L.
Udvardi
,
L.
Szunyogh
,
A.
Kubetzka
,
K.
von Bergmann
, and
R.
Wiesendanger
,
Nat. Commun.
9
,
1571
(
2018
).
8.
N.
Hauptmann
,
J. W.
Gerritsen
,
D.
Wegner
, and
A. A.
Khajetoorians
,
Nano Lett.
17
,
5660
(
2017
).
9.
A.
Fert
,
N.
Reyren
, and
V.
Cros
,
Nat. Rev. Mater.
2
,
17031
(
2017
).
10.
P.-J.
Hsu
,
A.
Kubetzka
,
A.
Finco
,
N.
Romming
,
K.
von Bergmann
, and
R.
Wiesendanger
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
123
(
2017
).
11.
S.
Krause
and
R.
Wiesendanger
,
Nat. Mater.
15
,
493
(
2016
).
12.
X.
Zhang
,
M.
Ezawa
, and
Y.
Zhou
,
Sci. Rep.
5
,
9400
(
2015
).
13.
X.
Zhang
,
G. P.
Zhao
,
H.
Fangohr
,
J. P.
Liu
,
W. X.
Xia
,
J.
Xia
, and
F. J.
Morvan
,
Sci. Rep.
5
,
7643
(
2015
).
14.
A.
Fert
,
V.
Cros
, and
J.
Sampaio
,
Nat. Nanotechnol.
8
,
152
(
2013
).
15.
N.
Romming
,
C.
Hanneken
,
M.
Menzel
,
J. E.
Bickel
,
B.
Wolter
,
K.
von Bergmann
,
A.
Kubetzka
, and
R.
Wiesendanger
,
Science
341
,
636
(
2013
).
16.
A.
Schlenhoff
,
P.
Lindner
,
J.
Friedlein
,
S.
Krause
,
R.
Wiesendanger
,
M.
Weinl
,
M.
Schreck
, and
M.
Albrecht
,
ACS Nano
9
,
5908
(
2015
).
17.
R.
Wiesendanger
,
Rev. Mod. Phys.
81
,
1495
(
2009
).
18.
D.
Wortmann
,
S.
Heinze
,
P.
Kurz
,
G.
Bihlmayer
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. Lett.
86
,
4132
(
2001
).
19.
R.
Young
,
J.
Ward
, and
F.
Scire
,
Phys. Rev. Lett.
27
,
922
(
1971
).
20.
R.
Young
,
J.
Ward
, and
F.
Scire
,
Rev. Sci. Instrum.
43
,
999
(
1972
).
21.
J. J.
Sáenz
and
R.
Garcia
,
Appl. Phys. Lett.
65
,
3022
(
1994
).
22.
A.
Kubetzka
,
M.
Bode
, and
R.
Wiesendanger
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
012508
(
2007
).
23.
A.
Schlenhoff
,
S.
Krause
,
A.
Sonntag
, and
R.
Wiesendanger
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
097602
(
2012
).
24.
A.
Schlenhoff
,
S.
Kovarik
,
S.
Krause
, and
R.
Wiesendanger
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
087202
(
2019
).
25.
A.
Hanuschkin
,
D.
Wortmann
, and
S.
Blügel
,
Phys. Rev. B
76
,
165417
(
2007
).
26.
P. M.
Echenique
and
J. B.
Pendry
,
J. Phys. C: Solid State Phys.
11
,
2065
(
1978
).
27.
U.
Höfer
and
P.
Echenique
,
Surf. Sci.
643
,
203
209
(
2016
).
28.
29.
M.
Nekovee
,
S.
Crampin
, and
J. E.
Inglesfield
,
Phys. Rev. Lett.
70
,
3099
(
1993
).
30.
G.
Binnig
,
K. H.
Frank
,
H.
Fuchs
,
N.
Garcia
,
B.
Reihl
,
H.
Rohrer
,
F.
Salvan
, and
A. R.
Williams
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
991
(
1985
).
31.
R. S.
Becker
,
J. A.
Golovchenko
, and
B. S.
Swartzentruber
,
Phys. Rev. Lett.
55
,
987
(
1985
).
32.
P.-J.
Hsu
,
A.
Finco
,
L.
Schmidt
,
A.
Kubetzka
,
K.
von Bergmann
, and
R.
Wiesendanger
,
Phys. Rev. Lett.
116
,
017201
(
2016
).
33.
R.
Wiesendanger
,
H.-J.
Güntherodt
,
G.
Güntherodt
,
R. J.
Gambino
, and
R.
Ruf
,
Phys. Rev. Lett.
65
,
247
(
1990
).
34.
A.
Schlenhoff
,
S.
Krause
,
G.
Herzog
, and
R.
Wiesendanger
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
083104
(
2010
).
35.
A. J.
Caamaño
,
Y.
Pogorelov
,
O.
Custance
,
J.
Méndez
,
A. M.
Baró
,
J. Y.
Veuillen
,
J. M.
Gómez-Rodríguez
, and
J. J.
Sáenz
,
Surf. Sci.
426
,
L420
(
1999
).
36.
L.
Berbil-Bautista
,
S.
Krause
,
T.
Hänke
,
M.
Bode
, and
R.
Wiesendanger
,
Surf. Sci.
600
,
L20
(
2006
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.