Artykuł metodologiczny

Skanujące badanie SQUID manipulacji wirami przez kontakt lokalny

6.7K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/54986

⸱

1 lutego 2017

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

W tym artykule

Podsumowanie

Prezentujemy protokół manipulowania pojedynczymi wirami w cienkich warstwach nadprzewodzących, wykorzystując lokalny kontakt mechaniczny. Metoda nie obejmuje zastosowania prądu, pola magnetycznego ani dodatkowych etapów wytwarzania.

Streszczenie

Lokalna, deterministyczna manipulacja pojedynczymi wirami w nadprzewodnikach typu 2 jest wyzwaniem. Zdolność do kontrolowania położenia poszczególnych wirów jest niezbędna do badania, w jaki sposób wiry oddziałują ze sobą, z siecią i z innymi obiektami magnetycznymi. W tym miejscu przedstawiamy protokół manipulacji wirami w cienkich warstwach nadprzewodzących przez kontakt lokalny, bez stosowania prądu lub pola magnetycznego. Wiry są obrazowane za pomocą skaningowego nadprzewodzącego urządzenia do interferencji kwantowej (SQUID), a naprężenia pionowe są przykładane do próbki poprzez wciśnięcie końcówki chipa krzemowego do próbki za pomocą elementu piezoelektrycznego. Wiry są poruszane poprzez stukanie w próbkę lub zamiatanie jej silikonową końcówką. Nasza metoda pozwala na skuteczne manipulowanie pojedynczymi wirami, bez uszkadzania folii i naruszania jej topografii. Pokazujemy, w jaki sposób wiry były przemieszczane na odległość do 0,8 mm. Wiry pozostawały stabilne w nowym miejscu do pięciu dni. Dzięki tej metodzie możemy kontrolować wiry i przesuwać je w złożone konfiguracje. Ta technika manipulacji wirami może być również zaimplementowana w aplikacjach takich jak urządzenia logiczne oparte na wirach.

Wprowadzenie

Wiry to obiekty magnetyczne w nanoskali, powstające w nadprzewodnikach typu 2 w obecności zewnętrznego pola magnetycznego. W próbce wolnej od wad wiry mogą się swobodnie poruszać. Jednak różne defekty materiału skutkują powstawaniem obszarów o zmniejszonej nadprzewodnictwie, które są energetycznie korzystne dla wirów. Wiry mają tendencję do ozdabiania tych regionów, znanych również jako miejsca przypinania. W takim przypadku siła wymagana do przemieszczenia wiru musi być większa niż siła sworznienia. Właściwości wirów, takie jak gęstość wiru, siła oddziaływania i zasięg, można łatwo określić na podstawie pola zewnętrznego, temperatury lub geometrii próbki. Zdolność do kontrolowania tych właściwości sprawia, że są one dobrym systemem modelowym dla zachowania materii skondensowanej, który można łatwo dostroić, a także odpowiednimi kandydatami do zastosowań elektronicznych1,2. Kontrola położenia poszczególnych wirów jest niezbędna do projektowania takich elementów logicznych.

Mechaniczna kontrola magnetycznych nanocząstek została osiągnięta już wcześniej. Kalisky i in. niedawno wykorzystali skaningowe nadprzewodzące urządzenie do interferencji kwantowej (SQUID) do zbadania wpływu lokalnych naprężeń mechanicznych na plamy ferromagnetyczne w złożonych interfejsach tlenkowych3. Byli w stanie zmienić orientację plastra poprzez skanowanie w kontakcie, wciskając końcówkę SQUID w próbkę, przykładając przy tym siłę do 1 μN. Podobną metodę zastosowaliśmy w naszym protokole w celu przemieszczania wirów.

W istniejących badaniach nad manipulacją wirami, ruch był osiągany poprzez przyłożenie prądu do próbki, tworząc w ten sposób siłę Lorentza 4,5,6. Chociaż ta metoda jest skuteczna, nie jest lokalna, a aby kontrolować pojedynczy wir, wymagana jest dodatkowa produkcja. Wirami można również manipulować poprzez zastosowanie zewnętrznego pola magnetycznego, na przykład za pomocą mikroskopu sił magnetycznych (MFM) lub cewki pola SQUID7,8. Ta metoda jest skuteczna i lokalna, ale siła wywierana przez te narzędzia jest niewielka i może pokonać siłę kołkowania tylko w wysokich temperaturach, bliskich krytycznej temperaturze nadprzewodnika. Nasz protokół pozwala na skuteczną, lokalną manipulację w niskich temperaturach (4 K) bez dodatkowego wytwarzania próbki.

Obrazujemy wiry za pomocą skaningowej mikroskopii SQUID. Czujnik jest wykonany na krzemowym chipie, który jest polerowany w rogu i przyklejany do elastycznego wspornika. Wspornik służy do pojemnościowego wykrywania powierzchni. Chip umieszcza się pod kątem do próbki, tak aby punkt styku znajdował się na końcu chipa. Przykładamy siły do 2 μN, wciskając wiór w próbkę. Przesuwamy próbkę względem SQUID za pomocą elementów piezoelektrycznych. Przesuwamy wir, stukając w silikonową końcówkę obok wiru lub zamiatając ją, dotykając wiru.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Dostęp do skanującego systemu SQUID

  1. Użyj skanującego systemu SQUID, który zawiera czujnik SQUID wykonany na chipie9,10, stick slip coarse motion stage i skaner piezotyczny do precyzyjnego ruchu. Zobacz rysunek 1.
  2. Wypoleruj chip SQUID w rogu wokół pętli odbioru. Materiał, z którego wykonany jest chip, musi zostać usunięty aż do pętli odbiorczej.
    1. Delikatnie wypoleruj SQUID za pomocą niemagnetycznego papieru polerskiego o grubości od 5 do 0,5 μm.
      UWAGA: Po etapie polerowania pętlę odbiorczą można zbliżyć lub zetknąć się z próbką.

2. Osadzanie cienkiej warstwy niobu (Nb) z rozpylaniem prądem stałym (DC)

  1. Uzyskać podłoże. W tej pracy użyj substratu krzemowego domieszkowanego borem z 500 nm tlenku krzemu. Możliwe są inne substraty, takie jak SrTiO i MgO.
  2. Osiągnij ciśnienie podstawowe 10-7 Torr w komorze. Wstępnie napylać komorę parowania w temperaturze pokojowej z celem 99,95% Nb, w środowisku argonu pod ciśnieniem 2,4 mTorr z szybkością osadzania 1,8 A/s przez 10 minut. Należy pamiętać, że proces osadzania można rozpocząć tylko wtedy, gdy ciśnienie podstawowe w komorze jest mniejsze niż 10-7 Torr. Jeśli ciśnienie jest wyższe, powtórz etap rozpylania wstępnego.
  3. Umieść podłoże w komorze.
  4. Osadzanie cienkiej warstwy Nb przez napylanie w temperaturze pokojowej z tarczy 99,95% Nb, w środowisku argonu pod ciśnieniem 2,4 mTorr z szybkością osadzania 1,8 A/s.

3. Wyrównanie końcówki próbki

  1. Na tym etapie wyrównaj chip czujnika z próbką tak, aby końcówka chipa stykała się z próbką podczas przesuwania wirów. Aby to osiągnąć, należy użyć kąta wyrównania co najmniej 4°.
  2. Przyklej elastyczny wspornik do płyty przewodzącej z warstwą dielektryczną. Następnie przyklej chip SQUID do wspornika. Pojemność między wspornikiem a płytą statyczną określa kontakt z próbką i zakres przyłożonego naprężenia.
  3. Załaduj próbkę do mikroskopu. Przyklej próbkę do wyznaczonego uchwytu próbki za pomocą lakieru lub pasty srebrnej. Przyklej uchwyt do elementu piezoelektrycznego Z (Rysunek 1a).
  4. Podłącz system ruchu zgrubnego drążka do sterownika.
  5. Skonfiguruj obrazowanie optyczne pod dwoma kątami — z przodu i z boku chipa. Użyj dwóch teleskopów umieszczonych na stolikach translacyjnych, skierowanych na przód chipa i jeden z jego boków.
  6. Korzystając ze stolika ruchu zgrubnego z drążkiem Z, przesuń próbkę na odległość 1 μm od czujnika, tak aby odbicie czujnika było widoczne na próbce.
    UWAGA: Kontakt między próbką a czujnikiem na tym etapie może uszkodzić SQUID.
  7. Odsuń próbkę o 0,5 - 1 mm od czujnika za pomocą stolika ruchu zgrubnego Z stick, aby zapobiec uszkodzeniu SQUID.
  8. Obróć wyrównujące (Rysunek 1a), aby uzyskać równe kąty przednie (tj. kąty, jakie boki końcówki chipa tworzą z jego odbiciem, jak pokazano na rysunku 1c).
  9. Przesunąć próbkę na odległość 1 μm od czujnika. Sprawdź kąty i w razie potrzeby powtórz kroki 3.7 i 3.8.
  10. Obróć wyrównujące, aby uzyskać kąt 4 stopni między czujnikiem a próbką (Rysunek 1d). Upewnij się, że końcówka chipa jest częścią, która styka się z próbką.

4. Pomiary

  1. Załaduj głowicę skanującą (Rysunek 1a) do układu chłodzenia 4 K.
    UWAGA: Głowica skanująca powinna być podłączona do zimnej płyty i otoczona puszką próżniową. Owiń cewkę wokół puszki w celu przyłożenia zewnętrznego pola magnetycznego (do tego badania wystarczą niskie pola kilku Gaussów). Przykryj tę konfigurację osłoną z mumetalu.
  2. Schłodzić w obecności pola magnetycznego, doprowadzając prąd przez cewkę otaczającą mikroskop. Starannie dobieraj natężenie pola, aby osiągnąć pożądaną gęstość wiru. Użyj 1Φ0 = 20,7 G/μm2, aby obliczyć pole czasu odnowienia. Na przykład dla 10 wirów w obszarze 10 μm na 10 μm zastosuj 2,07 G.
  3. Do zmiany na nową próbkę ciepła o gęstości wirowej powyżej temperatury przejścia nadprzewodzącego (dla Nb, ciepło powyżej 10 K). Zastosuj nowe pole.
  4. Schłodzić próbkę do 4,2 K.
  5. Wyłącz pole magnetyczne. Włącz SQUID.
  6. Przesunąć próbkę w pobliże SQUID za pomocą systemu ruchu zgrubnego poślizgu drążka.
    1. Zastosuj rosnące napięcia na kostce ślizgowej Z-stick, aby przesunąć próbkę bliżej chipa SQUID.
    2. Podłącz napięcie między wspornikiem a płytką do odczytu pojemności za pomocą mostka pojemnościowego (zwykle 0,1-1 V).
    3. Przemiatanie napięcia na elemencie piezoelektrycznym Z. Zmierz pojemność między wspornikiem a płytą. Jeśli nastąpi duża zmiana pojemności, próbka styka się z chipem SQUID.
    4. Jeśli próbka nie zetknęła się z chipem, powtarzaj kroki 4.6.1-4.6.3, aż do zaobserwowania kontaktu.
    5. Opcjonalnie: Użyj ruchu kursu, aby dostosować odstęp między końcówką a próbką tak, aby kontakt następował przy niskich napięciach (0 - 10 V przyłożonych do piezometru Z).
    6. Po nawiązaniu kontaktu powtórzyć kroki 4.6.2-4.6.3 w kilku miejscach w celu określenia kątów nachylenia powierzchni i zdefiniowania płaszczyzny próbki względem czujnika.
  7. Przemiataj napięcie na elementach piezoelektrycznych X i Y, aby przesunąć próbkę względem czujnika. Skanuj na stałej wysokości nad próbką, bez kontaktu między końcówką a próbką, w celu zmapowania rozkładu wirów. Osiągnij stałą wysokość skanowania, zmieniając napięcie na piezoelektrycznym Z zgodnie z położeniami X i Y oraz na płaszczyznę zdefiniowaną w ppkt 4.6.
  8. Wybierz wir i skanuj wokół niego, aby precyzyjnie określić położenie jego środka. Należy pamiętać, że położenie wiru jest względne w stosunku do pętli odbioru SQUID, a nie do punktu kontaktowego.
  9. Wyłącz SQUID.
  10. Przyłóż napięcie większe niż napięcie przyziemienia do piezoelektrycznego z i albo dotknij obok środka wiru, albo przeciągnij wir, powoli przeciągając czujnik (w kontakcie z próbką) po próbce do żądanego miejsca. Wir przesunie się w kierunku kranu lub w kierunku zamiatania. Typowe wartości, które należy dodać do przyłożonego napięcia piezoelektrycznego to 2-5 V.
  11. Włącz SQUID.
  12. Obraz ponownie na stałej wysokości bez kontaktu, aby zlokalizować nowe położenie wiru.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Nasz protokół został pomyślnie przetestowany na tysiącach pojedynczych, dobrze odseparowanych wirów w dwóch próbkach Nb oraz dziewięciu próbkach NbN. Generujemy nowe wiry w tej samej próbce poprzez podgrzanie jej powyżej Tc i ponowne schłodzenie do 4,2 K w obecności pola magnetycznego. Zewnętrzne pole magnetyczne dobraliśmy tak, aby uzyskać pożądaną gęstość wirów. Przedstawiamy tutaj dane z tych eksperymentów. Wyniki te zostały szczegółowo opisane przez Kremena et al.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Skuteczna manipulacja wirami zależy od kilku krytycznych kroków. Ważne jest, aby ustawić czujnik pod kątem, tak aby końcówka chipa jako pierwsza zetknęła się z próbką. Po drugie, należy zauważyć, że siła wywierana na próbkę zależy od właściwości mechanicznych wspornika, na którym zamontowany jest chip. W reżimie sprężystym przyłożona siła jest proporcjonalna do ugięcia, x, zgodnie z prawem Hooke'a:
F = -kx

Gdzie k jest stałą sprężystości, określoną przez moduł Younga materiału i jego wymi...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy nie mają nic do ujawnienia.

Podziękowania

Dziękujemy A. Sharoni z Uniwersytetu Bar-Ilan za dostarczenie filmów nadprzewodzących. Badania te były wspierane przez grant Europejskiej Rady ds. Badań Naukowych ERC-2014-STG-639792, grant na integrację kariery Marie Curie FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799 oraz grant Izraelskiej Fundacji Naukowej ISF-1102/13.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
system ruchu zgrubnego patyczkaattocubeANPx-101x,y ruch
drążka poślizg zgrubny system ruchu zgrubnegoattocubeANPz-101z drążek ruchu
poślizg kontroler systemu ruchu zgrubnegoAttocubeANC 300
danych AttocubeANC 250
NationalInstruments NI  PCIe-6363
elementy piezoelektrycznePiezo Systems IncT2Cniemagnetyczny
niskoszumowy przedwzmacniacz napięciowyStanford Research SystemsSR 560
mostek pojemnościowyGeneral Radio1615A
teleskopNAVITAR1-504516
kameraMOTICAMMP2
dewarCryofabN/A
wkładkaICE oxfordN/A
Mu-metalowa osłonaAmunealN/A
nasadka próżniowaICE oxfordN/A
system rozpylaniaAJA international IncN/A
folia docierająca3M261Xniemagnetyczny
cel NbKurt J. LeskerEJTNBXX351A2
GE LakierCMR-Direct02-33-001do kriogenicznego radiatora
Pasta srebrnaSonda strukturalna Inc05063-AB
Wzmacniacz wysokiego napięcia Karta akwizycji

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

filmy nadprzewodz ceelement piezoelektrycznyko c wka krzemowastrumie magnetycznycienka warstwa niobustabilno wiruinterferencja kwantowa

Powiązane artykuły