Name: Escaneado de Estudio SQUID de la manipulación del vórtice por contacto local (Video) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
Description: Aprende a manipular vórtices individuales en películas superconductoras delgadas mediante contacto mecánico local sin campos externos. Este método permite controlar la posición de vórtices para estudiar sus interacciones.

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Agradecemos a A. Sharoni de la Universidad Bar-Ilan de proporcionar las películas superconductoras. Esta investigación fue apoyada por el Consejo Europeo de Investigación subvención del CEI-2014-STG- 639792, Integración Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, e Israel Science Foundation de subvención ISF-1102/13.

1. El acceso a un sistema de escaneo SQUID <ol><li> Utilice un sistema SQUID de exploración que incluye un sensor SQUID fabricado en un chip 9, 10, stick slip etapa de movimiento gruesa, y un escáner basado en piezo para el movimiento fino. Ver Figura 1. </li><li> Pulir el chip SQUID en una esquina alrededor del circuito de recogida. El material del chip debe ser eliminado todo el camino hasta el bucle de recogida. <ol><li> pulir suavemente el SQUID, usando un papel de pulido no magnético 5-0,5 micras. NOTA: Después de la etapa de pulido del bucle de recogida puede ponerse en estrecha proximidad o contacto, con la muestra. </li></ol></li></ol> 2. El depósito de niobio (Nb) de película delgada con Sputtering actual continua (CC) <ol><li> Obtener un sustrato. En este trabajo, usar un sustrato de silicio dopado con boro con 500 nm de óxido de silicio. Son posibles otros sustratos tales como SrTiO y MgO. </li><li> Llegar a una base de pressuRE, de 10 -7 Torr en la cámara. Pre-pulverización catódica la cámara de evaporación a temperatura ambiente con un objetivo Nb 99,95%, en un ambiente de argón a una presión de 2,4 mTorr con una velocidad de deposición de 1,8 Å / s para 10 min. Tenga en cuenta que el proceso de deposición puede empezar sólo cuando la presión de base en la cámara es inferior a 10 -7 Torr. Si la presión es más alta de repetición de la fase previa a la pulverización catódica. </li><li> Coloque sustrato en la cámara. </li><li> Depósito Nb película delgada por bombardeo iónico a temperatura ambiente a partir de un blanco de Nb 99,95%, en un ambiente de argón a presión de 2,4 mTorr con una velocidad de deposición de 1,8 Å / s. </li></ol> La alineación de la muestra 3.-tip <ol><li> En esta etapa, alinear el chip sensor con la muestra de manera que la punta del chip hace contacto con la muestra cuando se mueve los vórtices. Para lograr esto, utilizar un ángulo de alineación de al menos 4 °. </li><li> Pegar un voladizo flexibles sobre una placa conductora con una capa dieléctrica. A continuación, pegar el chi SQUIDp en el voladizo. La capacitancia entre el voladizo y una placa estática determina el contacto con la muestra y la medida de la tensión aplicada. </li><li> Cargar la muestra en el microscopio. Pegue la muestra a una muestra designada montaje utilizando un barniz o plata pasta. Pegar el montaje al elemento piezo Z (Figura 1a). </li><li> Conectar el sistema de movimiento gruesa oscilaciones de relajación a un controlador. </li><li> Configurar imágenes ópticas desde dos ángulos - la parte delantera y el lado del chip. Use dos telescopios colocados en etapas de traducción, dirigidas a la parte frontal del chip y uno de sus lados. </li><li> Usando el stick slip etapa de movimiento grueso Z, mover la muestra a una distancia de 1 m desde el sensor, de manera que la reflexión del sensor es visible en la muestra. NOTA: El contacto entre la muestra y el sensor en esta etapa pueden dañar el SQUID. </li><li> Mover la muestra de 0,5 - 1 mm de distancia del sensor con la etapa de palo de Z deslizamiento del movimiento del robot para evitar daños a la SLIBRA. </li><li> Girar la tornillos de alineación (Figura 1a) para obtener los ángulos delanteros iguales (es decir, los ángulos de los lados de la punta del chip hacen con su reflexión, como se ve en la Figura 1c). </li><li> Mover la muestra a una distancia de 1 m desde el sensor. Compruebe los ángulos y repita el paso 3.7 y 3.8 si es necesario. </li><li> Girar los tornillos de alineación para conseguir un ángulo de 4 grados entre el sensor y la muestra (Figura 1d). Asegúrese de que la punta del chip es la parte que hace contacto con la muestra. </li></ol> 4. mediciones <ol><li> Cargar el cabezal de escaneo (Figura 1a) a un sistema de refrigeración 4 K. NOTA: cabeza de exploración debe estar conectado a un plato frío, y rodeado de una lata de vacío. Cablear una bobina alrededor de la lata para la aplicación de campo magnético externo (bajos campos de varios Gauss son suficientes para este estudio). Cubrir esta configuración con un escudo Mu-metal. </li><li> Enfriar en la presencia de magnecampo tic, mediante la aplicación de corriente a través de la bobina que rodea el microscopio. Elige la intensidad de campo cuidadosamente para conseguir la densidad deseada vórtice. Utilice 1Φ 0 = 20,7 g / m 2 para calcular el campo de tiempo de reutilización. Por ejemplo, para 10 vórtices en una zona micras 10 micras por 10, se aplican 2,07 G. </li><li> Para cambiar a una nueva muestra de calor densidad vórtice encima de la temperatura de transición superconductora (para Nb, caliente a más de 10 K). Aplicar el nuevo campo. </li><li> muestra fresca a 4,2 K. </li><li> Girar el campo magnético fuera. Girar el SQUID. </li><li> Mover la muestra cerca de la SQUID usando el sistema de movimiento gruesa oscilaciones de relajación. <ol><li> Aplique tensiones crecientes en el cubo Z-oscilaciones de relajación para mover la muestra más cercana al chip SQUID. </li><li> Aplicar la tensión entre la palanca y la placa para la lectura de la capacitancia utilizando un puente de capacitancia (0,1-1 V típicamente). </li><li> Barra el voltaje en el elemento piezo Z. Medir la capacitancia entre el voladizo y el platmi. Si se produce un gran cambio en la capacitancia, la muestra está en contacto con el chip de SQUID. </li><li> Si la muestra no hizo contacto con el chip, repita los pasos 4.6.1-4.6.3 hasta que se observa el contacto. </li><li> Opcional: Utilice movimiento curso para ajustar el espacio entre la punta y la muestra de manera que el contacto se produce a bajas tensiones (0 - 10 V aplicada sobre el piezo Z). </li><li> Una vez que hay contacto, repita los pasos 4.6.2-4.6.3 en varios lugares con el fin de determinar los ángulos de inclinación de la superficie y para definir el plano de la muestra, en relación con el sensor. </li></ol></li><li> Barra el voltaje en los X e Y piezoeléctricos elementos con el fin de mover la muestra en relación con el sensor. Analiza a una altura constante por encima de la muestra, sin contacto entre la punta y la muestra, con el fin de mapa de distribución de vórtice. Lograr una altura de exploración constante cambiando la tensión en el piezo Z de acuerdo con las ubicaciones X e Y, y al plano definido en 4.6. </li><li> Elija un vórtice y escanear around para determinar con precisión la ubicación de su centro. Tenga en cuenta que la ubicación del vórtice es relativo al bucle de captación del SQUID, no hasta el punto de contacto. </li><li> Girar SQUID fuera. </li><li> Aplicar una tensión que es mayor que la tensión de toma de contacto para el piezo y, o bien del grifo z lado del centro de vórtice o barrer el vórtice arrastrando el sensor (en contacto con la muestra) lentamente en la muestra a un lugar deseado. El vórtice se moverá hacia el grifo o en la dirección de barrido. Los valores típicos para agregar a la tensión aplicada son piezo z 2-5 V. </li><li> Girar el SQUID. </li><li> Image de nuevo a una altura constante sin contacto para localizar la nueva ubicación del vórtice. </li></ol>

<ol><li>Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/cond-mat/0307374">Do Vortices Entangle?</a> Phys. Rev. Lett. 92, 157002(2004).</li>
<li>Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. <a target="_blank" href="http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl301451e">Fluxonic cellular automata.</a> Appl. Phys. Lett. 91, 212501(2007).</li>
<li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Scanning+Probe+Manipulation+of+Magnetism+at+the+LaAlO3%2FSrTiO3+Heterointerface%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface.</a> Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).</li>
<li>Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nature/journal/v440/n7084/full/nature04595.html">Controlled multiple reversals of a ratchet effect.</a> Nature. 440, 651-654 (2006).</li>
<li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="http://aip.scitation.org/doi/10.1063/1.3137164">Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale.</a> Appl. Phys. Lett. 94, 202504(2009).</li>
<li>Embon, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Probing+dynamics+and+pinning+of+single+vortices+in+superconductors+at+nanometer+scales%5BTitle%5D)+AND+%22Sci.+Rep%22%5BJournal%5D)">Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales.</a> Sci. Rep. 5, 7598(2015).</li>
<li>Auslaender, O. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.nature.com/nphys/journal/v5/n1/full/nphys1127.html">Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor.</a> Nature Phys. 5, 35-39 (2008).</li>
<li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/1012.4271">Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2.</a> Phys. Rev. B. 83, 064511(2011).</li>
<li>Huber, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Gradiometric+micro-SQUID+susceptometer+for+scanning+measurements+of+mesoscopic+samples%5BTitle%5D)+AND+%22Rev.+Sci.+Instrum%22%5BJournal%5D)">Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples.</a> Rev. Sci. Instrum. 79, 053704(2008).</li>
<li>Koshnick, N. C., et al. <a target="_blank" href="https://arxiv.org/abs/0901.0308">A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 243101(2008).</li>
<li>Kremen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+Control+of+Individual+Superconducting+Vortices%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices.</a> Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).</li>
</ol>

Los autores no tienen nada que revelar.

la manipulación exitosa de vórtices depende de varios pasos críticos. Es importante para alinear el sensor en un ángulo, de tal manera que la punta del chip será el primero en entrar en contacto con la muestra. En segundo lugar, es importante tener en cuenta que la fuerza ejercida sobre la muestra se determina por las propiedades mecánicas del voladizo que el chip está montado. En el régimen elástico, la fuerza aplicada es proporcional a la desviación, x, de acuerdo con la ley de Hooke: F = kx <p class="jove_...

Los vórtices son objetos magnéticos a nanoescala, formados en los superconductores de tipo 2 en presencia de un campo magnético externo. En una muestra libre de defectos, los vórtices pueden moverse libremente. Sin embargo, diferentes defectos en el resultado material en las regiones de la reducción de la superconductividad que son energéticamente favorable para vórtices. Vórtices tienden a decorar estas regiones, también conocidos como los sitios de colocación de clavos. En este caso, la fuerza requerida para mover un vórtice debe ser mayor que la fuerza de fijación. Propiedades de los vórtices, tales como la densidad de vórtice, fuerza de interacción y la gama, se pueden determinar fácilmente por el campo externo, la temperatura, o la geometría de la muestra. La capacidad de controlar estas propiedades ellos un buen sistema modelo para el comportamiento de la materia condensada que puede ser sintonizado con facilidad, así como candidatos adecuados para aplicaciones electrónicas 1, 2 hace. El control de la ubicación de los vórtices individuales es esencial para el diseño de tales loelementos gicas. El control mecánico de las nanopartículas magnéticas se había logrado antes. Kalisky et al. Recientemente se usa superconductor de interferencia cuántica dispositivo de exploración (SQUID) para estudiar la influencia de la tensión mecánica local en parches ferromagnéticos en las interfaces de óxidos complejos 3. Fueron capaces de cambiar la orientación del parche en los escaneos en contacto, presionando la punta de la SQUID en la muestra, la aplicación de una fuerza de hasta 1 μN en el proceso. Hemos utilizado un método similar en el protocolo con el fin de mover los vórtices. En los estudios existentes de manipulación de vórtice, el movimiento se consigue mediante la aplicación de corriente a la muestra, creando así Lorentz fuerza 4, 5, 6. Si bien este método es eficaz, no es local, y con el fin de controlar un único vórtice, se requiere la fabricación adicional. Los vórtices pueden ser también manipulated mediante la aplicación de campo magnético externo, por ejemplo, con un microscopio de fuerza magnética (MFM) o con una bobina de campo SQUID 7, 8. Este método es eficaz y local, pero la fuerza aplicada por estas herramientas es pequeño, y puede superar la fuerza de la fijación sólo a altas temperaturas, cerca de la temperatura crítica del superconductor. El protocolo permite la manipulación eficaz, locales a bajas temperaturas (4 K) sin fabricación adicional de la muestra. Nos vórtices de imagen utilizando microscopía de barrido SQUID. El sensor se fabrica sobre un chip de silicio que está pulido en una esquina, y se pega en un voladizo flexible. El voladizo se utiliza para la detección capacitiva de la superficie. El chip se coloca en un ángulo a la muestra, de modo que el punto de contacto está en la punta del chip. Aplicamos fuerzas de hasta 2 μN empujando el chip en la muestra. Movemos la muestra en relación con el SQUID por elementos piezoeléctricos. Nos movemosel vórtice tocando la punta de silicio junto a un vórtice, o mediante el barrido de ella, tocando el vórtice.

<table><tbody><tr><td>sistema de movimiento grueso de deslizamiento de palo</td><td>attocube</td><td>ANPx-101</td><td>x,y motion</td></tr><tr><td>sistema de movimiento grueso de deslizamiento de palo</td><td>attocube</td><td>ANPz-101</td><td>z controlador</td>de</tr><tr><td>sistema de movimiento grueso de deslizamiento de palo</td><td>Attocube</td><td>ANC 300</td><td></td></tr><tr><td>amplificador de alto voltaje</td><td>Attocube</td><td>ANC 250</td><td></td></tr><tr><td>tarjeta de adquisición de datos</td><td>National Instruments</td><td>NI&nbsp; PCIe-6363</td><td></td></tr><tr><td>elementos piezoeléctricos</td><td>Piezo Systems Inc</td><td>T2C</td> no <td>magnético</td></tr><tr><td>preamplificador de voltaje de bajo ruido</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR 560</td><td></td></tr><tr><td>puente de capacitancia</td><td>General Radio</td><td>1615A</td><td></td></tr><tr><td>telescopio</td><td>NAVITAR</td><td>1-504516</td><td></td></tr><tr><td>cámara</td><td>MOTICAM</td><td>MP2</td><td></td></tr><tr><td>dewar</td><td>Cryofab</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>inserto</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Escudo de metal Mu</td><td>Amuneal</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>tapón de vacío</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>sistema de pulverización catódica</td><td>AJA international Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>película lapeada</td><td>3M</td><td>261X</td><td>objetivo Nb no magnético</td></tr><tr><td></td><td>Kurt J. Lesker EJTNBXX351A2</td><td></td><td></td></tr><tr><td>Barniz GE</td><td>CMR-Direct</td><td>02-33-001</td><td>para disipación de calor criogénica</td></tr><tr><td>Pasta de plata</td><td>Structure Probe Inc</td><td>05063-AB</td><td></td></tr></tbody></table>

escaneado de estudio squid de la manipulación del vórtice por contacto local

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

La manipulación local y determinista de vórtices individuales en superconductores de tipo 2 es un desafío. La capacidad de controlar la posición de los vórtices individuales es necesaria para estudiar cómo los vórtices interactúan entre sí, con la red y con otros objetos magnéticos. Aquí, presentamos un protocolo para la manipulación de vórtices en películas superconductoras delgadas por contacto local, sin aplicar corriente o campo magnético. Las imágenes de los vórtices se obtienen utilizando un dispositivo de interferencia cuántica superconductor de barrido (SQUID), y se aplica tensión vertical a la muestra empujando la punta de un chip de silicio dentro de la muestra, utilizando un elemento piezoeléctrico. Los vórtices se mueven golpeando la muestra o barriéndola con la punta de silicona. Nuestro método permite la manipulación efectiva de vórtices individuales, sin dañar la película ni afectar su topografía. Demostramos cómo los vórtices se reubicaron a distancias de hasta 0,8 mm. Los vórtices permanecieron estables en su nueva ubicación hasta cinco días. Con este método, podemos controlar vórtices y moverlos para formar configuraciones complejas. Esta técnica para la manipulación de vórtices también podría implementarse en aplicaciones como dispositivos lógicos basados en vórtices.

Nuestro protocolo fue probado con éxito en miles de vórtices individuales, bien separados en dos muestras de Nb, y nueve muestras de NbN. Generamos nuevos vórtices sobre la misma muestra por calentamiento de la muestra por encima de Tc, y enfriarlo de nuevo a 4,2 K en presencia de un campo magnético. Elegimos el campo magnético externo para lograr la densidad deseada de vórtice. Mostramos aquí los datos de estos experimentos. Estos resultados se han descrito en detalle por Kremen et ...

Presentamos un protocolo para la manipulación de vórtices individuales en películas superconductoras delgadas, utilizando contacto mecánico local. El método no incluye la aplicación de corriente, campo magnético o pasos de fabricación adicionales.

Escaneado de Estudio SQUID de la manipulación del vórtice por contacto local

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

El objetivo general de este procedimiento es manipular vórtices en películas superconductoras delgadas mediante tensión vertical local sin aplicar corriente o campo magnético. La capacidad de controlar la posición de los vórtices individuales es necesaria para estudiar cómo los vórtices interactúan entre sí, con el material y con otros objetos magnéticos. La principal ventaja de esta técnica es que es un método local que permite una manipulación muy efectiva de un vórtice individual sin pasos de fabricación adicionales.La primera vez que fuimos testigos del efecto de la deformación en objetos submicromagnéticos y ferromagnéticos fue cuando utilizamos SQUID para obtener imágenes y examinar la forma en que cambian su orientación como resultado del estrés. A raíz de este estudio, quisimos investigar el efecto de la tensión local en otros objetos nanomagnéticos, y el primer sistema que probamos es el sistema de vórtices en un superconductor. Primero, prepare una muestra delgada de película superconductora.A continuación, obtenga un sensor SQUID fabricado en un chip de silicio. Pula suavemente el chip con papel de pulido no magnético para formar un punto simétrico que contenga el área de detección. El material debe pulirse hasta el final para exponer el área de detección.Pegue un voladizo flexible a una placa conductora con una capa dieléctrica. A continuación, pega el chip del sensor en el voladizo. Monte la muestra con barniz o pasta de plata.A continuación, conéctelo al elemento piezoeléctrico del eje Z. Configure dos telescopios en etapas de traslación y conecte los telescopios a una computadora a través de una cámara. Conecte el controlador del sistema de movimiento de la pista de deslizamiento del palo.Dirija los telescopios en la parte delantera y lateral del chip para proporcionar imágenes ópticas. Con la etapa de deslizamiento de la varilla Z, mueva la muestra a aproximadamente un micrómetro del sensor para que el sensor se refleje en la muestra. No permita que la muestra entre en contacto con el sensor.Compruebe los ángulos entre la viruta y su reflejo en ambos lados de la punta cuando se ve desde el frente. A continuación, aleje la muestra entre 0,5 y un milímetro del sensor para evitar daños en el calamar. Gire los tornillos de alineación para que los ángulos entre la viruta y su reflexión sean iguales en ambos lados de la punta cuando se vean desde el frente.Vuelva a mover la muestra a aproximadamente un micrómetro del sensor y vuelva a comprobar los ángulos. Una vez que los ángulos sean iguales, gire los tornillos de alineación hasta que el ángulo entre el chip y su reflexión sea de al menos cuatro grados cuando se vea desde un lado para asegurarse de que la punta entre en contacto con la muestra al mover los vórtices. Es importante alinear el sensor en ángulo de modo que solo la punta del sensor toque la muestra.De esta manera, se puede determinar un punto de contacto distinto. Cargue el cabezal de escaneo del sistema SQUID en un sistema de enfriamiento de cuatro Calvin. Para generar vórtices, enfríe la muestra a 4,2 Calvins en presencia de un campo magnético basado en el tamaño de la muestra y el número deseado de vórtices.Apague el campo magnético y encienda el SQUID. Con el deslizamiento de la palanca Z, acerque la muestra al chip del sensor. Aplique voltaje entre el voladizo y la placa de detección de capacitancia para llevar el voladizo al circuito del puente.Barre el elemento piezoeléctrico Z de cero a 200 voltios mientras monitorea la capacitancia entre el voladizo y la placa. Cuando la muestra entra en contacto con el chip sensor, se producirá un gran cambio en la capacitancia. Una vez que la muestra haya entrado en contacto con éxito con el chip, repita este proceso en varias ubicaciones de la muestra para definir el plano de la muestra en relación con el sensor.Para mover la muestra en relación con el sensor, barra el voltaje en los elementos piezoeléctricos X e Y. Una vez definido el plano, utilice el elemento piezoeléctrico Z para mover la muestra de modo que el sensor escanee a una altura constante por encima de la muestra. Escanee alrededor de un vórtice para determinar con precisión la ubicación de su centro en relación con el área de detección.Apague el SQUID y, a continuación, aplique un voltaje mayor que el voltaje de aterrizaje al elemento piezoeléctrico Z. Toque la muestra junto al centro del vórtice o arrastre lentamente el sensor mientras está en contacto con la muestra a la nueva ubicación de vórtice deseada. Vuelva a encender el SQUID y escanee la muestra a una altura constante para determinar la nueva ubicación del vórtice.Los vórtices se generaron en una muestra de película delgada de niobio. Con este método, los vórtices se pueden mover en patrones definidos. Un vórtice puede moverse varias veces.Incluso después de mover este vórtice 820 micrómetros, el vórtice permaneció estable en su nueva ubicación. La señal magnética se mapea registrando el flujo a través del SQUID en función de la posición. La señal se graba a través del bucle de captación del SQUID.Sin embargo, el contacto con la muestra se realiza en la punta del chip sensor. Esta distancia debe compensarse al seleccionar una ubicación de contacto para la manipulación del vórtice. En este caso, el contacto se produce antes de registrar la señal magnética.Si el sensor se enciende durante un escaneo de manipulación, el evento de desplazamiento aparece como un paso tenue en la señal. El vórtice, fotografiado en su nueva posición, parece intacto. Esta técnica se puede aplicar para estudiar el efecto de la tensión mecánica local en otros objetos nanomagnéticos.Una técnica de manipulación eficaz y reproducible de objetos nanomagnéticos es esencial para promover posibles aplicaciones como los elementos lógicos.

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Investigación

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