利用局域接触调控涡旋的扫描SQUID研究

摘要

我们提出了一种利用局部机械接触在超导薄膜中操控单个涡旋的实验方案。该方法无需施加电流、磁场或额外的制备步骤。

摘要

在二型超导体中对单个涡旋进行局域、确定性的操控具有挑战性。为了研究涡旋之间、涡旋与晶格之间以及涡旋与其他磁性物体之间的相互作用，必须能够控制单个涡旋的位置。本文介绍了一种通过局域接触在超薄超导薄膜中操控涡旋的方案，该方法无需施加电流或磁场。利用扫描式超导量子干涉仪（SQUID）对涡旋进行成像，并通过压电元件将硅芯片的尖端压入样品，从而对样品施加垂直应力。通过轻敲样品或用硅尖端扫过样品来移动涡旋。该方法可有效操控单个涡旋，且不会损坏薄膜或影响其表面形貌。我们展示了涡旋被移动至最远达0.8 mm距离的实验结果，且涡旋在其新位置上保持稳定达五天之久。利用该方法，我们能够控制涡旋并将其移动形成复杂的构型。这种涡旋操控技术还可应用于基于涡旋的逻辑器件等场景中。

引言

涡旋是存在于第二类超导体中的纳米级磁性结构，在外加磁场存在时形成。在无缺陷的样品中，涡旋可以自由移动。然而，材料中的各种缺陷会导致超导性降低的区域，这些区域在能量上更有利于涡旋停留。涡旋倾向于聚集在这些区域，即所谓的钉扎中心。此时，移动涡旋所需的力必须大于钉扎力。涡旋的性质，如涡旋密度、相互作用强度和作用范围，均可通过外加磁场、温度或样品几何结构轻松调控。对这些性质的可控性使涡旋成为一种理想的模型体系，可用于研究易于调节的凝聚态物理行为，同时也使其成为电子器件应用中的理想候选者^1,2。对于设计此类逻辑元件而言，实现对单个涡旋位置的精确控制至关重要。

此前已实现对磁性纳米颗粒的机械控制。Kalisky 等最近利用扫描式超导量子干涉仪（SQUID）研究了局部机械应力对复杂氧化物界面中铁磁斑块的影响³。他们通过接触式扫描，将SQUID探针压入样品，施加高达1 µN的作用力，从而改变斑块的取向。在本实验方案中，我们采用了类似的方法来移动涡旋。

在现有的涡旋操控研究中，通常通过向样品施加电流以产生洛伦兹力来实现运动^4,5,<....

方案

1. 超导量子干涉仪（SQUID）扫描系统的使用权限

1. 使用包含芯片上制备的SQUID传感器^9,10、粘滑式粗调运动平台以及基于压电陶瓷的精细扫描器的扫描式SQUID系统。参见图1。
2. 将SQUID芯片打磨成靠近拾取线圈的尖角形状，需将芯片材料完全去除至拾取线圈处。
   1. 使用5至0.5 µm的非磁性抛光纸轻轻打磨SQUID。
      注意：抛光完成后，拾取线圈可接近或直接接触样品。

2. 采用直流（DC）溅射法沉积铌（Nb）薄膜

1. 获取衬底。本实验中使用掺硼硅衬底，表面覆盖500 nm厚的二氧化硅。其他衬底如SrTiO和MgO也可使用。
2. 将腔室抽至本底真空度达到10^-7 Torr。在室温下，使用纯度为99.95%的Nb靶材，在氩气环境中（气压为2.4 mTorr）、沉积速率为1.8 Å/s的条件下对蒸发腔进行预溅射10分钟。注意：只有当腔室本底真空度低于10^-7 Torr时，方可开始沉积过程。若真空度不足，需重复预溅射步骤。
3. 将衬底放入腔室中。
4. 在室温下，使用纯度为99.95%的Nb靶材，通过溅....

结果

本方案已在两个铌（Nb）样品和九个氮化铌（NbN）样品中的数千个独立且良好分离的涡旋上成功验证。通过将样品加热至超导临界温度Tc以上，随后在磁场存在下冷却回4.2 K，可在同一样品上生成新的涡旋。我们选择合适的外加磁场以实现所需的涡旋密度。本文展示了这些实验的数据。相关结果已由Kremen et al.¹¹ 详细报道。

本文所述方案可实现对涡旋的可控操纵，从而形成多种构型（图2）。单个涡旋可移动最长1 mm的距离（图3），并在新位置保持稳定。

讨论

成功操控涡旋依赖于几个关键步骤。首先，必须将传感器调整至一定角度，使芯片的尖端最先与样品接触。其次，需要注意的是，施加在样品上的力由芯片所安装的悬臂的机械特性决定。在弹性范围内，根据胡克定律，所施加的力与偏转位移 x 成正比：
F = -kx

其中 k 为弹簧常数，由材料的杨氏模量及其物理尺寸决定，其表达式为
k = Et³w/4l³

其中，E 为杨氏模量，t 为梁的厚度，w 为宽度，l 为长度。对于铜制悬臂梁，E = 117 GPa。我们的悬臂梁厚度为 0.017 mm，宽度为 3 mm，长度为 10.7 mm，由此计算得 k = 0.35 N/m。当 Z 向压电陶瓷的电压低于接触点 1 V 时，偏转为 1.6 µm，对应的作用力为 0.56 µN。为获得所需的作用力，正确选择悬臂梁的材料和尺寸至关重要。

还需要注意的是，SQUID 扫描得到的涡旋位置是相对于拾取线圈而言的，而接触点相对于拾取线圈的位置.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
粘滑式粗动系统	attocube	ANPx-101	x,y 方向运动
粘滑式粗动系统	attocube	ANPz-101	z 方向运动
粘滑式粗动系统控制器	Attocube	ANC 300
高压放大器	Attocube	ANC 250
数据采集卡	National Instruments	NI PCIe-6363
压电元件	Piezo Systems Inc	T2C	非磁性
低噪声电压前置放大器	Stanford Research Systems	SR 560
电容电桥	General Radio	1615A
显微物镜	NAVITAR	1-504516
相机	MOTICAM	MP2
杜瓦瓶	Cryofab	N/A
插件	ICE oxford	N/A
坡莫合金屏蔽罩	Amuneal	N/A
真空封盖	ICE oxford	N/A
溅射系统	AJA international Inc	N/A
研磨膜	3M	261X	非磁性
Nb 靶材	Kurt J. Lesker	EJTNBXX351A2
GE 绝缘漆	CMR-Direct	02-33-001	用于低温散热
银浆	Structure Probe Inc	05063-AB