Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

Das übergeordnete Ziel dieses Verfahrens ist es, Wirbel in dünnen supraleitenden Schichten durch lokale vertikale Spannung zu manipulieren, ohne Strom oder Magnetfeld anzulegen. Die Fähigkeit, die Position einzelner Wirbel zu kontrollieren, ist notwendig, um zu untersuchen, wie Wirbel untereinander, mit dem Material und mit anderen magnetischen Objekten interagieren. Der Hauptvorteil dieser Technik besteht darin, dass es sich um eine lokale Methode handelt, die eine sehr effektive Manipulation eines einzelnen Wirbels ohne zusätzliche Herstellungsschritte ermöglicht.

Wir haben die Auswirkungen von Dehnung auf submikro- und ferromagnetische Objekte zum ersten Mal beobachtet, als wir SQUID verwendeten, um abzubilden und zu untersuchen, wie sie ihre Ausrichtung aufgrund von Stress ändern. Im Anschluss an diese Studie wollten wir die Wirkung von lokalem Stress auf andere nanomagnetische Objekte untersuchen, und das erste System, das wir getestet haben, ist das System der Wirbel in einem Supraleiter. Bereiten Sie zunächst eine dünne supraleitende Filmprobe vor.

Besorgen Sie sich dann einen SQUID-Sensor, der auf einem Siliziumchip hergestellt ist. Polieren Sie den Chip vorsichtig mit nichtmagnetischem Polierpapier, um einen symmetrischen Punkt zu bilden, der den Erfassungsbereich enthält. Das Material muss bis zum Anschlag poliert werden, um den Erfassungsbereich freizulegen.

Kleben Sie einen flexiblen Ausleger auf eine leitende Platte mit einer dielektrischen Schicht. Kleben Sie dann den Sensorchip auf den Ausleger. Montieren Sie die Probe mit Lack oder Silberpaste.

Befestigen Sie es dann am Piezo-Element der Z-Achse. Stellen Sie zwei Teleskope auf Translationsstufen auf und verbinden Sie die Teleskope über eine Kamera mit einem Computer. Schließen Sie den Controller für das Stick-Slip-Course-Motion-System an.

Richten Sie die Teleskope an der Vorderseite und an der Seite des Chips, um eine optische Abbildung zu ermöglichen. Bewegen Sie die Probe mit dem Z-Stick-Gleittisch etwa einen Mikrometer vom Sensor entfernt, so dass der Sensor in der Probe reflektiert wird. Lassen Sie die Probe nicht mit dem Sensor in Berührung kommen.

Überprüfen Sie die Winkel zwischen dem Chip und seiner Reflexion auf beiden Seiten der Spitze, wenn Sie sie von vorne betrachten. Bewegen Sie dann die Probe etwa 0,5 bis einen Millimeter vom Sensor entfernt, um eine Beschädigung des SQUID zu vermeiden. Drehen Sie die Ausrichtungsschrauben so, dass die Winkel zwischen dem Chip und seiner Reflexion von vorne betrachtet auf beiden Seiten der Spitze gleich sind.

Bewegen Sie die Probe etwa einen Mikrometer vom Sensor entfernt und überprüfen Sie die Winkel erneut. Sobald die Winkel gleich sind, drehen Sie die Ausrichtungsschrauben, bis der Winkel zwischen dem Chip und seiner Reflexion von der Seite betrachtet mindestens vier Grad beträgt, um sicherzustellen, dass die Spitze die Probe berührt, wenn Sie die Wirbel bewegen. Es ist wichtig, den Sensor schräg auszurichten, so dass nur die Sensorspitze die Probe berührt.

Auf diese Weise kann ein eindeutiger Ansprechpartner ermittelt werden. Laden Sie den Scankopf des SQUID-Systems in ein Kühlsystem mit vier Calvins. Um Wirbel zu erzeugen, kühlen Sie die Probe in Gegenwart eines Magnetfelds auf 4,2 Calvins ab, basierend auf der Probengröße und der gewünschten Anzahl von Wirbeln.

Schalten Sie das Magnetfeld aus und den SQUID ein. Bewegen Sie die Probe mit dem Z-Stick-Slip näher an den Sensorchip. Legen Sie eine Spannung zwischen dem Cantilever- und der Kapazitätsdetektionsplatte an, um den Cantilever in den Brückenkreis zu bringen.

Sweepen Sie das Z-Piezo-Element von null auf 200 Volt und überwachen Sie gleichzeitig die Kapazität zwischen dem Ausleger und der Platte. Wenn die Probe mit dem Sensorchip in Kontakt kommt, kommt es zu einer großen Kapazitätsänderung. Nachdem die Probe erfolgreich mit dem Chip in Kontakt gekommen ist, wiederholen Sie diesen Vorgang an mehreren Stellen der Probe, um die Ebene der Probe relativ zum Sensor zu definieren.

Um die Probe relativ zum Sensor zu bewegen, sweepen Sie die Spannung an den X- und Y-Piezoelementen. Sobald die Ebene definiert ist, verwenden Sie das Z-Piezo-Element, um die Probe so zu bewegen, dass der Sensor in einer konstanten Höhe über der Probe scannt. Scannen Sie um einen Wirbel herum, um die Position seines Zentrums relativ zum Erfassungsbereich genau zu bestimmen.

Schalten Sie den SQUID aus und legen Sie dann eine Spannung an, die größer als die Aufsetzspannung ist, an das Z-Piezo-Element. Tippen Sie entweder auf die Probe neben dem Wirbelzentrum oder ziehen Sie den Sensor langsam an die gewünschte neue Wirbelposition, während er mit der Probe in Kontakt kommt. Schalten Sie den SQUID wieder ein und scannen Sie die Probe in konstanter Höhe, um die neue Wirbelposition zu bestimmen.

Auf einer Niob-Dünnschichtprobe wurden Wirbel erzeugt. Mit dieser Methode können die Wirbel in definierte Muster verschoben werden. Ein Wirbel kann mehrfach bewegt werden.

Auch nach dem Bewegen dieses Wirbels um 820 Mikrometer blieb der Wirbel an seinem neuen Standort stabil. Das magnetische Signal wird abgebildet, indem der Fluss durch den SQUID als Funktion der Position aufgezeichnet wird. Das Signal wird über die Tonabnehmerschleife des SQUID aufgezeichnet.

Der Kontakt mit der Probe erfolgt jedoch an der Spitze des Sensorchips. Dieser Abstand muss bei der Auswahl eines Kontaktortes für die Wirbelmanipulation ausgeglichen werden. In diesem Fall erfolgt der Kontakt vor der Aufzeichnung des magnetischen Signals.

Wenn der Sensor während eines Manipulationsscans eingeschaltet wird, wird das Verschiebungsereignis als schwacher Schritt im Signal angezeigt. Der Wirbel, der an seiner neuen Position abgebildet ist, scheint intakt zu sein. Diese Technik kann angewendet werden, um die Wirkung lokaler mechanischer Belastung auf andere nanomagnetische Objekte zu untersuchen.

Eine effektive und reproduzierbare Manipulationstechnik von nanomagnetischen Objekten ist unerlässlich, um mögliche Anwendungen wie Logikelemente zu fördern.