利用局域接触调控涡旋的扫描SQUID研究

本实验的总体目标是通过局部垂直应力在不施加电流或磁场的情况下调控超导薄膜中的涡旋。为了研究涡旋之间、涡旋与材料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。该技术的主要优势在于它是一种局域性方法，能够高效地操控单个涡旋，且无需额外的制备步骤。

当我们使用SQUID成像并观察亚微米和铁磁物体在应力作用下如何改变其取向时，首次观察到了应变对这些物体的影响。在此项研究之后，我们希望进一步探究局部应力对其他纳米磁性物体的影响，而我们测试的第一个体系是超导体中的涡旋体系。首先，制备一个薄的超导薄膜样品。

然后，获取一块在硅芯片上制备的SQUID传感器。使用非磁性抛光纸轻轻抛光芯片，形成一个包含传感区域的对称尖端。必须将材料彻底抛光，直至露出传感区域。

将带有介电层的柔性悬臂梁粘接到导电板上。然后将传感器芯片粘接到悬臂梁上。使用虫胶或银浆将样品固定。

然后，将其连接到Z轴压电元件上。在平移台上安装两个望远镜，并通过相机将望远镜连接到计算机。连接粘滑粗动系统控制器。

调节芯片前方和侧方的显微镜，以实现光学成像。使用Z轴微调滑动平台，将样品移动至距离传感器约一微米处，使传感器在样品中产生反射。切勿让样品与传感器接触。

从前侧观察时，检查芯片与其在尖端两侧反射像之间的角度。然后，将样品从传感器位置移动约0.5至1毫米，以防止对SQUID造成损伤。旋转对准螺丝，使从前侧观察时，芯片与其在尖端两侧反射像之间的角度相等。

将样品移回至距离传感器约一微米处，并再次检查角度。当角度相等后，旋转对准螺丝，从侧面观察时使芯片与其反射像之间的夹角至少达到四度，以确保在移动涡旋时探针尖端能够接触到样品。必须以一定角度对准传感器，使得只有传感器的尖端接触样品。

通过这种方法，可以确定一个明确的接触点。将SQUID系统的扫描头装入四开尔文冷却系统中。为了产生涡旋，根据样品尺寸和所需的涡旋数量，在外加磁场条件下将样品冷却至4.2 K。

关闭磁场，开启 SQUID。使用 Z 向调节杆缓慢移动样品，使其靠近传感器芯片。在悬臂梁与电容检测板之间施加电压，使悬臂梁进入桥式电路。

在监测悬臂与平板之间电容的同时，将Z轴压电元件从0伏扫描至200伏。当样品接触到传感器芯片时，电容将发生显著变化。一旦样品成功接触芯片，需在样品的多个位置重复此过程，以确定样品相对于传感器的平面。

为移动样品相对于传感器的位置，需扫描X和Y压电元件上的电压。一旦定义了平面，使用Z压电元件移动样品，使传感器在样品表面恒定高度处进行扫描。围绕一个涡旋进行扫描，以精确定位其相对于感应区域的中心位置。

关闭SQUID，然后向Z压电元件施加高于接触电压的电压。轻敲涡旋中心附近的样品，或在传感器与样品保持接触的情况下缓慢拖动至目标的新涡旋位置。重新开启SQUID，并在恒定高度下扫描样品以确定新的涡旋位置。

在铌薄膜样品上生成了涡旋。利用此方法，可将涡旋移动至特定的图案位置。一个涡旋可被多次移动。

即使将该涡旋移动820微米后，涡旋在其新位置仍保持稳定。通过记录SQUID拾取线圈的磁通量随位置的变化，从而绘制出磁信号。信号通过SQUID的拾取环路进行记录。

然而，传感器芯片的尖端会与样品接触。在选择涡旋操控的接触位置时，必须补偿这一距离。在此情况下，接触发生在记录磁信号之前。

如果在进行操纵扫描期间传感器处于开启状态，位移事件会在信号中表现为微弱的阶跃。在新位置成像的磁涡旋仍保持完整。该技术可用于研究局部机械应力对其他纳米磁性物体的影响。

一种高效且可重复的纳米磁性物体操控技术对于推动逻辑元件等潜在应用至关重要。