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Numérisation Etude SQUID de Vortex Manipulation par contact local

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DOI :

10.3791/54986

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1 février 2017

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1Department of Physics and Institute of Nanotechnology and Advanced Materials, Bar-Ilan University

Dans cet article

Résumé

Nous présentons un protocole pour la manipulation de vortex individuels dans des films supraconducteurs minces, en utilisant un contact mécanique local. La méthode n’inclut pas l’application de courant, de champ magnétique ou d’étapes de fabrication supplémentaires.

Résumé

La manipulation locale et déterministe de vortex individuels dans les supraconducteurs de type 2 est un défi. La capacité de contrôler la position des vortex individuels est nécessaire pour étudier comment les vortex interagissent les uns avec les autres, avec le réseau et avec d’autres objets magnétiques. Ici, nous présentons un protocole de manipulation de vortex dans des films supraconducteurs minces par contact local, sans appliquer de courant ou de champ magnétique. Les vortex sont imagés à l’aide d’un dispositif d’interférence quantique supraconducteur (SQUID), et une contrainte verticale est appliquée à l’échantillon en poussant la pointe d’une puce de silicium dans l’échantillon, à l’aide d’un élément piézoélectrique. Les vortex sont déplacés en tapotant l’échantillon ou en le balayant avec la pointe en silicium. Notre méthode permet de manipuler efficacement les tourbillons individuels, sans endommager le film ni affecter sa topographie. Nous montrons comment les tourbillons ont été déplacés à des distances allant jusqu’à 0,8 mm. Les vortex sont restés stables à leur nouvel emplacement jusqu’à cinq jours. Avec cette méthode, nous pouvons contrôler les vortex et les déplacer pour former des configurations complexes. Cette technique de manipulation des vortex pourrait également être mise en œuvre dans des applications telles que les dispositifs logiques basés sur des vortex.

Introduction

Tourbillons sont des objets magnétiques à l'échelle nanométrique, formés dans le type 2 supraconducteurs en présence d'un champ magnétique externe. Dans un échantillon de défaut libre, tourbillons peuvent se déplacer librement. Toutefois, les différents défauts dans le résultat matériel dans les régions de la supraconductivité réduite qui sont énergétiquement favorables à tourbillons. Tourbillons ont tendance à décorer ces régions, aussi connu que les sites épinglage. Dans ce cas, la force nécessaire pour déplacer un tourbillon doit être supérieure à la force de pinning. Propriétés de tourbillons, comme la densité de vortex, la force d'interaction et de la gamme, peuvent être facilement déterminées par le champ externe, la température, ou de la géométrie de l'échantillon. La capacité de contrôler ces propriétés eux un bon modèle pour le comportement condensé de la matière qui peut être facilement réglé, ainsi que des candidats appropriés pour des applications électroniques 1, 2 fait. Contrôle de l'emplacement des tourbillons individuels est essentielle pour la conception d'un tel loéléments. giques

Le contrôle mécanique des nanoparticules magnétiques avait été atteint auparavant. Kalisky et al. récemment utilisé le balayage dispositif supraconducteur à interférence quantique (SQUID) pour étudier l'influence d' une contrainte mécanique locale sur les patchs ferromagnétiques dans les interfaces d'oxyde complexe 3. Ils ont été en mesure de changer l'orientation de la pièce par balayage en contact, en appuyant sur la pointe du SQUID dans l'échantillon, l'application d'une force allant jusqu'à 1 μN dans le processus. Nous avons utilisé une méthode similaire dans notre protocole afin de déplacer des tourbillons.

Dans les études actuelles de manipulation de vortex, le mouvement a été réalisée en appliquant un courant à l'échantillon, en créant ainsi la force de Lorentz 4, 5, 6. Bien que cette méthode soit efficace, il est pas local, et pour contrôler un tourbillon unique, de fabrication supplémentaire est nécessaire. Tourbillons peuvent également être Manipmenté par application d'un champ magnétique externe, par exemple avec un microscope à force magnétique (MFM) , soit avec une bobine de champ SQUID 7, 8. Ce procédé est efficace et locale, mais la force appliquée par ces outils est faible, et peut surmonter la force plaquant seulement à des températures élevées, à proximité de la température critique du supraconducteur. Notre protocole permet, la manipulation locale efficace à basse température (4 K) sans fabrication supplémentaire de l'échantillon.

Nous tourbillons d'image en utilisant la microscopie à SQUID. Le capteur est fabriqué sur une puce de silicium qui est poli dans un coin, et collé sur un bras de levier flexible. Cantilever est utilisé pour la détection capacitive de la surface. La puce est placée à un angle à l'échantillon, de sorte que le point de contact est à la pointe de la puce. Nous appliquons des forces allant jusqu'à 2 μN en poussant la puce dans l'échantillon. Nous passons l'échantillon par rapport au SQUID par des éléments piézoélectriques. Nous déménageonsle tourbillon en appuyant la pointe de silicium à côté d'un vortex, ou en balayant, de toucher le vortex.

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Protocole

1. L'accès à un système de SQUID de numérisation

  1. Utiliser un système de SQUID de balayage qui comprend un capteur de SQUID fabriqué sur une puce 9, 10, broutage stade de mouvement grossier, et un scanner à base piézo-pour mouvement fin. Voir Figure 1.
  2. Polonais la puce SQUID dans un coin autour de la boucle de ramassage. Le matériau de la puce doit être enlevé tout le chemin vers la boucle d'entraînement.
    1. polir doucement le SQUID, en utilisant un papier de polissage amagnétique 5 à 0,5 um.
      NOTE: Après l'étape de polissage de la boucle de ramassage peut être amené à proximité immédiate, ou le contact avec l'échantillon.

2. Dépôt de Niobium (Nb) Thin Film avec courant continu (CC) Pulvérisation

  1. Obtenir un substrat. Dans ce travail, en utilisant un substrat de silicium dopé au bore à 500 nm d'oxyde de silicium. D'autres substrats tels que SrTiO et MgO sont possibles.
  2. Atteindre un PRESSU de basere de 10 -7 Torr dans la chambre. Pré-pulvérisation cathodique de la chambre d'évaporation à la température ambiante avec une cible de Nb 99,95%, dans un environnement d'argon à une pression de 2,4 mTorr à une vitesse de dépôt de 1,8 Â / s pendant 10 min. A noter que le procédé de dépôt peut commencer que lorsque la pression de base dans la chambre est inférieure à 10 -7 Torr. Si la pression est répétée plus la phase de pré-pulvérisation.
  3. Placez substrat dans la chambre.
  4. Dépôt Nb film mince par pulvérisation cathodique à température ambiante d'une cible Nb 99,95%, dans un environnement d'argon à une pression de 2,4 mTorr avec un taux de 1,8 Å / s de dépôt.

Alignement 3. Sample-tip

  1. A ce stade, aligner la puce de capteur avec l'échantillon de telle sorte que la pointe de la puce est en contact avec l'échantillon lors du déplacement des tourbillons. Pour ce faire, utiliser un angle d'alignement d'au moins 4 °.
  2. Collez un cantilever flexible sur une plaque conductrice avec une couche diélectrique. Ensuite, collez le chi SQUIDp sur la console. La capacitance entre le cantilever et une plaque statique détermine le contact avec l'échantillon et la mesure de la contrainte appliquée.
  3. échantillon de charge sur le microscope. Collez l'échantillon à un échantillon désigné montage en utilisant une pâte de vernis ou d'argent. Collez le support à l'élément Z piézoélectrique (Figure 1a).
  4. Connecter le système de mouvement grossier bâton de glissement à un contrôleur.
  5. Mise en place d'imagerie optique à partir de deux angles - la face avant et la face de la puce. Utiliser deux télescopes placés sur des platines de translation, dirigées vers l'avant de la puce et l'un de ses côtés.
  6. Utilisation du broutage stade de mouvement grossier Z, déplacer l'échantillon à une distance de 1 um à partir du capteur, de sorte que la réflexion du capteur est visible sur l'échantillon.
    NOTE: Le contact entre l'échantillon et le capteur à ce stade peut nuire à la SQUID.
  7. Déplacer l'échantillon de 0,5 - 1 mm du capteur en utilisant l'étape Z broutage de mouvement grossier pour éviter d'endommager le SCHIQUE.
  8. Tournez la vis d'alignement (figure 1a) pour obtenir des angles avant égaux (ie, les angles des côtés de la pointe de la puce faire avec son reflet, comme on le voit sur la figure 1c).
  9. Déplacer l'échantillon à une distance de 1 um à partir du capteur. Vérifiez les angles et répétez l'étape 3.7 et 3.8 si nécessaire.
  10. Faites tourner les vis d'alignement pour obtenir un angle de 4 degrés entre le capteur et l'échantillon (figure 1d). Assurez-vous que la pointe de la puce est la partie qui est en contact avec l'échantillon.

4. mesures

  1. Chargez la tête de balayage (figure 1a) à un système 4 K de refroidissement.
    REMARQUE: la tête de numérisation doit être relié à une plaque froide, et entouré par un vide peut. Câbler une bobine autour de la boîte pour appliquer un champ magnétique externe (champs faibles de plusieurs Gauss sont suffisantes pour cette étude). Couvrir cette configuration avec un bouclier Mu-métal.
  2. Refroidir en présence d'magnetic champ, par application d'un courant à travers la bobine entourant le microscope. Choisissez avec soin l'intensité du champ pour obtenir la densité de vortex souhaitée. Utilisez 1Φ 0 = 20,7 G / um 2 pour calculer le champ cooldown. Par exemple, pour 10 un vortex dans 10 um de 10 um zone, appliquer 2,07 G.
  3. Pour passer à un nouvel échantillon de la chaleur de densité de vortex au-dessus de la température de transition supraconductrice (pour Nb, une température supérieure à 10 K). Appliquer le nouveau champ.
  4. échantillon Refroidir à 4,2 K.
  5. Tournez champ magnétique hors tension. Tournez SQUID sur.
  6. Déplacer l'échantillon à proximité du SQUID en utilisant le système de mouvement grossier bâton de glissement.
    1. Appliquer des tensions croissantes sur le cube Z-stick slip pour déplacer l'échantillon plus proche de la puce SQUID.
    2. Appliquer la tension entre le cantilever et la plaque de lecture de la capacité en utilisant un pont de capacité (0,1-1 V typiquement).
    3. Balayer la tension sur l'élément piézo-Z. Mesurer la capacitance entre le cantilever et la platee. Si une grande variation de la capacité se produit, l'échantillon est en contact avec la puce à SQUID.
    4. Si l'échantillon n'a pas fait contact avec la puce, répétez les étapes 4.6.1-4.6.3 jusqu'au contact est observé.
    5. Facultatif: Utilisez le mouvement de cours pour ajuster l'espacement entre la pointe et l'échantillon de telle sorte que le contact se produit à basse tension (0 - 10 V appliquée sur le piezo Z).
    6. Une fois qu'il ya un contact, répéter les étapes 4.6.2-4.6.3 en plusieurs endroits afin de déterminer les angles d'inclinaison de la surface et pour définir le plan de l'échantillon, par rapport au capteur.
  7. Balayer la tension sur les éléments piézo-électriques X et Y afin de déplacer l'échantillon par rapport au capteur. Numérisez à une hauteur constante au-dessus de l'échantillon, sans contact entre la pointe et l'échantillon, afin de cartographier la distribution de vortex. Atteindre une hauteur constante de balayage en changeant la tension sur l'élément piézo Z en fonction des emplacements X et Y, et au plan défini en 4.6.
  8. Choisissez un vortex et de numérisation Around pour déterminer avec précision l'emplacement de son centre. A noter que l'emplacement du vortex est par rapport à la boucle de prélèvement du SQUID, et non au point de contact.
  9. Tournez SQUID off.
  10. Appliquer une tension qui est supérieure à la tension de toucher à la z piezo et soit prise à côté du centre de vortex ou balayer le vortex en faisant glisser le capteur (en contact avec l'échantillon) lentement sur l'échantillon à un emplacement souhaité. Le vortex se déplace vers le robinet ou dans la direction de balayage. Les valeurs typiques pour ajouter à la tension piézo z appliquée sont 2-5 V.
  11. Tournez SQUID sur.
  12. Nouveau une image à une hauteur constante, sans contact pour localiser le nouvel emplacement du vortex.

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Résultats

Notre protocole a été testé avec succès sur des milliers de particuliers, des tourbillons bien séparés dans deux échantillons de Nb, et neuf échantillons de NbN. Nous générons de nouveaux tourbillons sur le même échantillon en chauffant l'échantillon ci-dessus Tc, et le refroidissement de nouveau à 4,2 K en présence d'un champ magnétique. Nous avons choisi le champ magnétique externe pour atteindre la densité de vortex souhaité. Nous montrons ici données à partir de ces expériences. Ces ...

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Discussion

manipulation réussie des tourbillons dépend de plusieurs étapes critiques. Il est important d'aligner le capteur à un angle, de telle sorte que la pointe de la puce sera la première à entrer en contact avec l'échantillon. Deuxièmement, il est important de noter que la force exercée sur l'échantillon est déterminée par les propriétés mécaniques de la poutre que la puce est montée sur. Dans le régime élastique, la force appliquée est proportionnelle à la déviation, x, conformément à la loi de Hooke:
F =...

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Déclarations de divulgation

Les auteurs n’ont rien à divulguer.

Remerciements

Nous remercions A. Sharoni de l'Université Bar-Ilan pour fournir les films supraconducteurs. Cette recherche a été soutenue par le Conseil européen de la recherche Grant ERC-2014-STG- 639792, intégration Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-333799-CIG, et la Fondation Israël Sciences Grant ISF-1102/13.

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Matériaux

Liste des matériaux utilisés dans cet article
NomEntrepriseNuméro de catalogueCommentaires
stick slip système de mouvement grossierattocubeANPx-101x,y mouvement
slip système de mouvement grossierattocubeANPz-101z motion
stick slip contrôleur de système de mouvement grossierAttocubeANC 300
amplificateur haute tensionAttocubeANC 250
carte d’acquisition de donnéesNational InstrumentsNI  ; Éléments piézoélectriques PCIe-6363
Piezo Systems IncPréamplificateur denon magnétique
à faible bruitT2C Stanford Research SystemsSR 560
Pont capacitifRadio générale1615A
télescopeNAVITAR1-504516
caméraMOTICAMMP2
dewarCryofabN/A
insertICE oxfordN/A
Mu-metal shieldAmunealN/A
bouchon à videICE oxfordN/A
système de pulvérisationAJA international IncN/A
film de rodage3M261Xnon magnétique
Nb cibleKurt J. LeskerEJTNBXX351A2
GE VernisCMR-Direct02-33-001pour dissipation thermique cryogénique Sonde
de structure enpâte d’argent05063-AB
stick tension Inc

Références

  1. Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. Do Vortices Entangle? Phys. Rev. Lett. 92, 157002(2004).
  2. Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501(2007).
  3. Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
  4. Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature. 440, 651-654 (2006).
  5. Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504(2009).
  6. Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598(2015).
  7. Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
  8. Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511(2011).
  9. Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704(2008).
  10. Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101(2008).
  11. Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).

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Mots-clés

Films supraconducteursl ment pi zo lectriquePointe en siliciumFlux magn tiqueCouche mince de niobiumStabilit des vortexInterf rence quantique

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