Name: Digitalizar Estudo SQUID de Manipulação Vortex por contato local (Vídeo) | JoVE Journal
Uploaded: 2017-02-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
Description: Aprenda a manipular vórtices em filmes supercondutores finos usando estresse vertical local sem campos magnéticos. Este método permite controlar a posição de vórtices individuais para estudar suas interações.

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Agradecemos a A. Sharoni da Universidade de Bar-Ilan para a prestação dos filmes supercondutores. Esta pesquisa foi apoiada pelo Conselho Europeu de Investigação Grant ERC-2014-STG- 639.792, Integração Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, e Israel Science Foundation Grant ISF-1102/13.

1. O acesso a um Sistema de Digitalização SQUID <ol><li> Use um sistema de SQUID de digitalização que inclui um sensor SQUID fabricado num chip de 9, 10, vara deslizamento estágio movimento grosseiro, e um scanner baseado em piezo para o movimento bem. Veja a Figura 1. </li><li> Polir o chip SQUID em um canto em torno do laço de recolhimento. O material do chip tem de ser removido todo o caminho para o circuito de captação. <ol><li> Gentilmente polir o SQUID, usando um 5-0,5 mm de papel de polimento não magnético. NOTA: Após a fase de polimento do circuito de captação pode ser posta em proximidade ou contato, com a amostra. </li></ol></li></ol> 2. Deposição de nióbio (Nb) Thin Film com Corrente contínua (CC) Sputtering <ol><li> Obter um substrato. Neste trabalho, utilizar um substrato de silício dopado com boro, com 500 nm de óxido de silício. Outros substratos tais como SrTiO e MgO são possíveis. </li><li> Chegar a um pressu de basere de 10 -7 Torr na câmara. Pré-sputter da câmara de evaporação à temperatura ambiente com um alvo Nb 99,95%, em ambiente de árgon, a uma pressão de 2,4 mTorr com uma velocidade de deposição de 1,8 Ã / s para 10 min. Note-se que o processo de deposição pode começar apenas quando a pressão de base da câmara é inferior a 10 -7 Torr. Se a pressão é maior repita a fase de pré-pulverização catódica. </li><li> Coloque substrato na câmara. </li><li> Depósito Nb película fina por pulverização catódica à temperatura ambiente a partir de um alvo Nb 99,95%, em ambiente de árgon, à pressão de 2,4 mTorr com uma velocidade de deposição de 1,8 Ã / s. </li></ol> Alinhamento 3. Sample-tip <ol><li> Nesta etapa, o chip sensor alinhar com a amostra de forma que a ponta do chip faz contacto com a amostra quando se deslocam os vórtices. Para conseguir isso, usar um ângulo de alinhamento de pelo menos 4 ° C. </li><li> Cole um braço de suporte flexível em uma placa condutora com uma camada de dieléctrico. Em seguida, cole o chi SQUIDp sobre o cantilever. A capacitância entre o cantilever e uma placa estática determina o contato com a amostra e a extensão da tensão aplicada. </li><li> amostra de carga sobre o microscópio. Cole a amostra a uma amostra designada montagem usando um verniz ou prata colar. Cole a montagem ao elemento Z piezo (Figura 1a). </li><li> Ligue o sistema de movimento grossa vara de deslizamento para um controlador. </li><li> Configurar imageamento óptico de dois ângulos - a frente eo lado do chip. Usar dois telescópios colocados em estágios de translação, dirigido para a frente de o chip e um dos seus lados. </li><li> Utilizando a vara Z deslizamento fase grosseira movimento, mover-se a amostra a uma distância de 1 uM a partir do sensor, de modo que a reflexão do sensor é visível na amostra. NOTA: Entre em contato entre a amostra e o sensor nesta fase pode prejudicar o SQUID. </li><li> Mova a amostra de 0,5 - 1 mm de distância do sensor utilizando a fase Z vara deslizamento movimento grossa para evitar danos ao SLIBRA. </li><li> Girar a parafusos de alinhamento (Figura 1a) para obter ângulos frontais iguais (ou seja, os ângulos dos lados da ponta do chip fazer com sua reflexão, como pode ser visto na Figura 1c). </li><li> Mover a amostra a uma distância de 1 uM a partir do sensor. Verifique os ângulos e repita o passo 3.7 e 3.8, se necessário. </li><li> Rodar os parafusos de alinhamento para obter um ângulo de 4 graus entre o sensor e a amostra (Figura 1D). Certifique-se a ponta do chip é a parte que entra em contato com a amostra. </li></ol> 4. medições <ol><li> Coloque a cabeça de digitalização (Figura 1a) para um sistema de 4 K de resfriamento. NOTA: cabeça de digitalização deve ser conectado a uma placa fria, e rodeado por uma lata de vácuo. Ligar uma bobina em torno da lata para aplicação de um campo magnético externo (baixos campos de vários Gauss são suficientes para este estudo). Cubra essa configuração com um escudo Mu-metal. </li><li> Legal, na presença de magneTic campo, através da aplicação de corrente através da bobina em torno do microscópio. Escolha a intensidade do campo cuidadosamente para conseguir a densidade desejada vórtice. Use 1Φ = 0 20,7 g / uM 2 para calcular o campo de recarga. Por exemplo, para 10 vórtices em um 10 um por 10 uM área, aplicam-se 2,07 G. </li><li> Para alterar para a nova amostra de calor densidade vórtice acima da temperatura de transição supercondutora (Para Nb, aqueça acima de 10 K). Aplicar o novo campo. </li><li> amostra legal para 4,2 K. </li><li> Vire campo magnético fora. Vire SQUID diante. </li><li> Mova a amostra perto do SQUID usando o sistema de movimento grossa vara de deslizamento. <ol><li> Aplique tensões crescentes no cubo Z-stick deslizamento para mover a amostra mais próxima do chip SQUID. </li><li> Aplicar a tensão entre o braço de suporte e a placa de leitura a capacitância usando uma ponte de capacitância (0,1-1 V tipicamente). </li><li> Varrer a tensão no elemento piezo Z. Medir a capacitância entre o cantilever ea plate. Se uma grande alteração na capacitância ocorre, a amostra está em contacto com o chip SQUID. </li><li> Se a amostra não fazer contato com o chip, repita os passos 4.6.1-4.6.3 até que o contato é observado. </li><li> Opcional: Use curso de movimento para ajustar o espaçamento entre a ponta e a amostra de modo que o contacto ocorre a baixas tensões (0 - 10 V aplicada na Z piezo). </li><li> Uma vez que não há contacto, repetir os passos 4.6.2-4.6.3 em vários locais, a fim de determinar os ângulos de inclinação da superfície e para definir o plano da amostra, em relação ao sensor. </li></ol></li><li> Varrer a tensão nos elementos piezoeléctricos X e Y de modo a mover-se a amostra em relação ao sensor. Digitalizar a uma altura constante acima da amostra, sem contacto entre a ponta e a amostra, a fim de mapear a distribuição de vórtice. Atingir uma altura constante de digitalização, alterando a tensão sobre o piezo Z de acordo com os locais X e Y, e ao plano definido em 4.6. </li><li> Escolha um vórtice e digitalizar around-lo para determinar com precisão a localização do seu centro. Note-se que a localização vortex é relativo ao ciclo de captação da lula, não ao ponto de contacto. </li><li> Vire SQUID off. </li><li> Aplicar uma tensão que é maior do que a tensão de aterragem ao piezo e ou z torneira ao lado do centro do vórtice ou varrer o vórtice, arrastando o sensor (em contacto com a amostra) lentamente sobre a amostra a um local desejado. O vórtice vai avançar para a torneira ou na direção de varredura. Os valores típicos para adicionar à tensão piezoeléctrica aplicada z são 2-5 V. </li><li> Vire SQUID diante. </li><li> Imagem novamente a uma altura constante, sem contacto para localizar a nova localização do 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>

Os autores não têm nada a divulgar.

manipulação bem sucedida de vórtices depende de vários passos críticos. É importante para alinhar o sensor a um ângulo, de tal modo que a ponta do chip será o primeiro a fazer o contacto com a amostra. Em segundo lugar, é importante notar que a força exercida sobre a amostra é determinada pelas propriedades mecânicas do cantilever que o chip é montado. No regime elástica, a força exercida é proporcional à deflexão, X, de acordo com a lei de Hooke: F = -kx Onde k é a constante da mola,...

Vórtices são objetos magnéticos em nanoescala, formada em tipo 2 supercondutores na presença de um campo magnético externo. Em uma amostra livre de defeitos, vórtices podem se mover livremente. No entanto, diferentes defeitos no resultado de material nas regiões da supercondutividade reduzida que são energeticamente favorável para vórtices. Vórtices tendem a decorar estas regiões, também conhecidos como os locais de fixação. Neste caso, a força necessária para mover um vórtice deve ser maior do que a força de fixação. Propriedades de vórtices, tais como a densidade de vórtice, a força interacção e gama, pode ser facilmente determinada por um campo externo, a temperatura, ou a geometria da amostra. A capacidade de controlar estas propriedades que os torna um bom sistema modelo para o comportamento da matéria condensada que pode ser facilmente afinado, bem como candidatos adequados para aplicações electrónicas 1, 2. O controlo da localização dos vórtices individuais é essencial para a concepção de tais Loelementos gicos. controle mecânico de nanopartículas magnéticas tinha sido alcançado antes. Kalisky et ai. recentemente utilizado digitalização supercondutores quantum interference device (SQUID) para estudar a influência do estresse mecânico local no manchas ferromagnéticos nas interfaces de óxido complexo 3. Eles foram capazes de alterar a orientação do penso por varrimento em contacto, pressionar a ponta da lula na amostra, aplicando uma força de 1 até μN no processo. Temos utilizado um método semelhante em nosso protocolo, a fim de mover vórtices. Em estudos existentes sobre a manipulação do vortex, movimento foi conseguido através da aplicação de corrente com a amostra, assim criando força de Lorentz 4, 5, 6. Enquanto este método é eficaz, não é local, e, a fim de controlar uma única vórtice, fabricação adicional é necessária. Vórtices também pode ser manippovoadas por aplicação de um campo magnético externo, por exemplo com um microscópio de força magnética (MFM) ou com uma bobina de campo SQUID 7, 8. Este método é eficaz e local, mas a força exercida por estas ferramentas é pequena, e pode superar a força fixando-se apenas com altas temperaturas, próximas da temperatura crítica do supercondutor. Nosso protocolo permite uma manipulação eficaz, local, a baixas temperaturas (4 K) sem fabricação adicional da amostra. Nós imagem vórtices usando microscopia de varredura SQUID. O sensor é fabricado num chip de silício, que é polida para um canto, e colado sobre um braço de suporte flexível. O braço de suporte é utilizado para detecção capacitiva da superfície. O chip é colocado em ângulo com a amostra, de modo que o ponto de contacto está na ponta do chip. Nós aplicar forças de até 2 μN empurrando o chip na amostra. Movemo-nos a amostra em relação ao SQUID por elementos piezo. Nós movemoso vórtice tocando a ponta de silício ao lado de um vórtice, ou por varrendo-o, tocar o vórtice.

<table><tbody><tr><td>sistema de movimento grosseiro de deslizamento de vara</td><td>attocube</td><td>ANPx-101</td><td>x, y sistema</td></tr> de <tr><td>movimento grosso de deslizamento de vara</td><td>de movimento attocube</td><td>ANPz-101 controlador de</td> sistema de movimento grosso <td>de deslizamento</td></tr> de <tr><td>vara</td> de movimento z <td>Attocube</td><td>ANC 300</td><td></td></tr><tr><td>amplificador de alta tensão</td><td>Attocube</td><td>ANC 250</td><td></td></tr><tr><td>cartão de aquisição de dados</td><td>National Instruments</td><td>NI&nbsp; PCIe-6363</td><td></td></tr><tr><td>elementos piezoelétricos</td><td>Piezo Systems Inc</td><td>T2C</td><td>pré-amplificador de</td></tr><tr><td>tensão de baixo ruído</td> não magnético <td>Stanford Research Systems</td><td>SR 560</td><td></td></tr><tr><td>ponte de capacitância</td><td>General Radio</td><td>1615A</td><td></td></tr><tr><td>telescópio</td><td>NAVITAR</td><td>1-504516</td><td></td></tr><tr><td>câmera</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>inserir</td><td>ICE oxford</td><td>N / A</td><td></td></tr><tr><td>Mu-metal shield</td><td>Amuneal</td><td>N / A</td><td></td></tr><tr><td>tampa de vácuo</td><td>ICE oxford</td><td>N / A</td><td></td></tr><tr><td>sistema de pulverização catódica</td><td>AJA international Inc</td><td>N / A</td><td></td></tr><tr><td>filme de lapidação</td><td>3M</td><td>261X</td><td>alvo não magnético</td></tr><tr><td>Nb Kurt</td><td>J. Lesker</td><td>EJTNBXX351A2</td><td></td></tr><tr><td>Verniz GE</td><td>CMR-Direct</td><td>02-33-001</td><td>para dissipador de calor criogênico</td></tr><tr><td>Pasta de prata</td><td>Structure Probe Inc</td><td>05063-AB</td><td></td></tr></tbody></table>

digitalizar estudo squid de manipulação vortex por contato local

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

A manipulação determinística local de vórtices individuais em supercondutores tipo 2 é um desafio. A capacidade de controlar a posição de vórtices individuais é necessária para estudar como os vórtices interagem uns com os outros, com a rede e com outros objetos magnéticos. Aqui, apresentamos um protocolo para manipulação de vórtices em filmes supercondutores finos por contato local, sem aplicação de corrente ou campo magnético. Os vórtices são fotografados usando um dispositivo de interferência quântica supercondutora de varredura (SQUID), e a tensão vertical é aplicada à amostra empurrando a ponta de um chip de silício para dentro da amostra, usando um elemento piezoelétrico. Os vórtices são movidos batendo na amostra ou varrendo-a com a ponta de silicone. Nosso método permite a manipulação eficaz de vórtices individuais, sem danificar o filme ou afetar sua topografia. Demonstramos como os vórtices foram realocados a distâncias de até 0,8 mm. Os vórtices permaneceram estáveis em seu novo local por até cinco dias. Com este método, podemos controlar vórtices e movê-los para formar configurações complexas. Esta técnica para manipulação de vórtices também pode ser implementada em aplicações como dispositivos lógicos baseados em vórtices.

O protocolo foi testado com sucesso em milhares de vórtices individuais, bem separadas em duas amostras de Nb, e nove amostras de NBN. Geramos novos vórtices sobre a mesma amostra por aquecimento da amostra acima de Tc, e arrefecendo-o de volta para 4,2 K na presença de um campo magnético. Nós escolhemos o campo magnético externo para atingir a densidade desejada vórtice. Mostramos aqui dados a partir destas experiências. Estes resultados foram descritos em detalhe por Kremen et ai.<...

Apresentamos um protocolo para manipulação de vórtices individuais em filmes supercondutores finos, usando contato mecânico local. O método não inclui a aplicação de corrente, campo magnético ou etapas adicionais de fabricação.

Digitalizar Estudo SQUID de Manipulação Vortex por contato local

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

O objetivo geral deste procedimento é manipular vórtices em filmes supercondutores finos por estresse vertical local sem aplicar corrente ou campo magnético. A capacidade de controlar a posição de vórtices individuais é necessária para estudar como os vórtices interagem uns com os outros, com o material e com outros objetos magnéticos. A principal vantagem desta técnica é que é um método local que permite uma manipulação muito eficaz de um vórtice individual sem etapas adicionais de fabricação.Testemunhamos pela primeira vez o efeito da tensão em objetos submicro e ferromagnéticos quando costumávamos usar o SQUID para obter imagens e examinar a maneira como eles mudam de orientação como resultado do estresse. Após este estudo, queríamos investigar o efeito do estresse local em outros objetos nanomagnéticos, e o primeiro sistema que testamos é o sistema de vórtices em um supercondutor. Primeiro, prepare uma amostra fina de filme supercondutor.Em seguida, obtenha um sensor SQUID fabricado em um chip de silício. Polir suavemente a lasca com papel de polimento não magnético para formar um ponto simétrico contendo a área de detecção. O material deve ser polido até o fim para expor a área de detecção.Cole um cantilever flexível a uma placa condutora com uma camada dielétrica. Em seguida, cole o chip do sensor no cantilever. Monte a amostra com verniz ou pasta de prata.Em seguida, anexe-o ao elemento Piezo do eixo Z. Configure dois telescópios em estágios de tradução e conecte os telescópios a um computador por meio de uma câmera. Conecte o controlador do sistema de movimento do curso de deslizamento do bastão.Direcione os telescópios na frente e na lateral do chip para fornecer imagens ópticas. Usando o estágio de deslizamento do Z-stick, mova a amostra para cerca de um micrômetro do sensor para que o sensor seja refletido na amostra. Não permita que a amostra entre em contato com o sensor.Verifique os ângulos entre o chip e seu reflexo em ambos os lados da ponta quando visto de frente. Em seguida, mova a amostra cerca de 0,5 a um milímetro para longe do sensor para evitar danos ao SQUID. Gire os parafusos de alinhamento para que os ângulos entre o chip e seu reflexo sejam iguais em ambos os lados da ponta quando vistos de frente.Mova a amostra de volta para cerca de um micrômetro do sensor e verifique os ângulos novamente. Quando os ângulos forem iguais, gire os parafusos de alinhamento até que o ângulo entre o chip e sua reflexão seja de pelo menos quatro graus quando visto de lado para garantir que a ponta entre em contato com a amostra ao mover os vórtices. É importante alinhar o sensor em um ângulo para que apenas a ponta do sensor toque a amostra.Dessa forma, um ponto de contato distinto pode ser determinado. Carregue o cabeçote de varredura do sistema SQUID em um sistema de resfriamento de quatro Calvin. Para gerar vórtices, resfrie a amostra a 4,2 Calvins na presença de um campo magnético com base no tamanho da amostra e no número desejado de vórtices.Desligue o campo magnético e ligue o SQUID. Usando o deslizamento do Z-stick, mova a amostra para mais perto do chip do sensor. Aplique tensão entre o cantilever e a placa de detecção de capacitância para trazer o cantilever para o circuito da ponte.Varra o elemento Z Piezo de zero a 200 volts enquanto monitora a capacitância entre o cantilever e a placa. Quando a amostra entra em contato com o chip do sensor, ocorrerá uma grande mudança na capacitância. Depois que a amostra entrar em contato com o chip com sucesso, repita esse processo em vários locais da amostra para definir o plano da amostra em relação ao sensor.Para mover a amostra em relação ao sensor, varra a tensão nos elementos X e Y Piezo. Depois que o plano for definido, use o elemento Z Piezo para mover a amostra para que o sensor escaneie a uma altura constante acima da amostra. Escaneie ao redor de um vórtice para determinar com precisão a localização de seu centro em relação à área de detecção.Desligue o SQUID e, em seguida, aplique uma tensão maior que a tensão de toque ao elemento Z Piezo. Toque na amostra ao lado do centro do vórtice ou arraste lentamente o sensor enquanto estiver em contato com a amostra para o novo local de vórtice desejado. Ligue o SQUID novamente e escaneie a amostra a uma altura constante para determinar a nova localização do vórtice.Vórtices foram gerados em uma amostra de filme fino de nióbio. Usando este método, os vórtices podem ser movidos para padrões definidos. Um vórtice pode ser movido várias vezes.Mesmo depois de mover este vórtice 820 micrômetros, o vórtice permaneceu estável em seu novo local. O sinal magnético é mapeado registrando o fluxo através do SQUID em função da posição. O sinal é gravado através do loop de captação do SQUID.No entanto, o contato com a amostra é feito na ponta do chip do sensor. Essa distância deve ser compensada ao selecionar um local de contato para manipulação de vórtices. Nesse caso, o contato ocorre antes da gravação do sinal magnético.Se o sensor for ligado durante uma varredura de manipulação, o evento de deslocamento aparecerá como um passo fraco no sinal. O vórtice, fotografado em sua nova posição, parece intacto. Esta técnica pode ser aplicada para estudar o efeito do estresse mecânico local em outros objetos nanomagnéticos.Uma técnica de manipulação eficaz e reprodutível de objetos nanomagnéticos é essencial para promover possíveis aplicações, como elementos lógicos.

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Engenharia

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