Introduction
الدوامات هي كائنات المغناطيسية على مقياس النانو، التي شكلت في نوع 2 الموصلات الفائقة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. في عينة عيب مجانا، ويمكن الدوامات التحرك بحرية. ومع ذلك، عيوب مختلفة في نتيجة مادية في مناطق انخفاض الموصلية الفائقة التي مواتية بقوة لالدوامات. الدوامات تميل لتزيين هذه المناطق، والمعروف أيضا باسم مواقع تعلق. في هذه الحالة، يجب أن تكون القوة اللازمة لتحريك دوامة أكبر من القوى المثبتة. خصائص الدوامات، مثل كثافة دوامة، قوة التفاعل وطائفة، ويمكن تحديدها بسهولة عن طريق الحقل الخارجي، ودرجة الحرارة، أو الهندسة من العينة. القدرة على التحكم في هذه الخصائص تجعلها نظام نموذجا جيدا للسلوك المادة المكثفة التي يمكن ضبطها بسهولة، فضلا عن المرشحين المناسبين للتطبيقات الالكترونية 1، 2. السيطرة على موقع الدوامات الفردية أمر ضروري لتصميم مثل هذا لوعناصر gical.
قد تحققت المكافحة الميكانيكية النانوية المغناطيسية قبل. Kalisky وآخرون. المستخدمة مؤخرا مسح فائقة التوصيل تدخل الجهاز الكم (الحبار) لدراسة تأثير الإجهاد الميكانيكي المحلي على بقع المغناطيسية في واجهات أكسيد معقدة 3. انهم كانوا قادرين على تغيير اتجاه التصحيح عن طريق المسح الضوئي في الاتصال، والضغط على غيض من الحبار في العينة، تطبيق قوة تصل إلى 1 μN في هذه العملية. وقد استخدمنا طريقة مماثلة في بروتوكول لدينا من أجل المضي الدوامات.
في الدراسات الموجودة التلاعب دوامة، وقد تحقق الحركة من خلال تطبيق الحالية للعينة، وبالتالي خلق لورنتز القوة 4، 5، 6. بينما هذه الطريقة فعالة، فإنه ليس المحلي، وسعيا للسيطرة على دوامة واحدة، مطلوب تلفيق إضافية. الدوامات ويمكن أيضا أن يكون manipulated من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، على سبيل المثال مع مجهر القوة المغناطيسية (MFM) أو مع لفائف المجال الحبار 7 و 8. هذه الطريقة فعالة والمحلي، ولكن القوة التي تطبقها هذه الأدوات الصغيرة، ويمكن التغلب على القوى المثبتة فقط في درجات حرارة عالية، على مقربة من درجة الحرارة الحرجة للموصل جيد للكهرباء. يسمح بروتوكول لدينا فعالية التلاعب المحلي، في درجات حرارة منخفضة (4 K) دون تلفيق إضافية من العينة.
نحن الدوامات الصورة باستخدام المسح المجهري الحبار. ملفقة الاستشعار عن رقاقة السيليكون الذي مصقول في الزاوية، ولصقها على ناتئ مرونة. يتم استخدام تعزية للاستشعار بالسعة من السطح. يتم وضع رقاقة في زاوية لعينة، بحيث نقطة الاتصال هي على طرف الرقاقة. نحن نطبق قوى تصل إلى 2 μN عن طريق دفع الشريحة في العينة. ننتقل العينة بالنسبة إلى الحبار من قبل عناصر بيزو. ننتقلدوامة من خلال الاستفادة من طرف السيليكون بجانب الدوامة، أو عن طريق تجتاح ذلك، ولمس دوامة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. الوصول إلى نظام المسح الضوئي الحبار
- استخدام نظام الحبار المسح التي تضم جهاز استشعار الحبار ملفقة على شريحة 9، 10، عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، والماسح الضوئي على أساس بيزو لحركة غرامة. انظر الشكل 1.
- تلميع رقاقة الحبار في الزاوية حول حلقة صغيرة. المواد من الشريحة تحتاج إلى إزالة كل وسيلة لحلقة صغيرة.
- تلميع بلطف الحبار، وذلك باستخدام ورقة تلميع غير مغنطيسية 5-0،5 ميكرومتر.
ملاحظة: بعد مرحلة تلميع لا يمكن أن تتحقق في حلقة صغيرة الى مقربة، أو الاتصال، مع العينة.
- تلميع بلطف الحبار، وذلك باستخدام ورقة تلميع غير مغنطيسية 5-0،5 ميكرومتر.
2. ترسب النيوبيوم (ملحوظة) رقيقة مع التيار المباشر (DC) الاخرق
- الحصول على الركيزة. في هذا العمل، واستخدام الركيزة السيليكون مخدر البورون مع 500 نيوتن متر من أكسيد السيليكون. ركائز أخرى مثل SrTiO وأهداب الشوق ممكنة.
- التوصل إلى لض قاعدةإعادة 10 -7 عربة في الغرفة. قبل تفل غرفة التبخر في درجة حرارة الغرفة مع ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S لمدة 10 دقيقة. لاحظ أن عملية ترسب يمكن أن تبدأ إلا عندما يكون ضغط قاعدة في الغرفة أقل من 10 -7 عربة. إذا كان الضغط أعلى تكرار في مرحلة ما قبل الاخرق.
- وضع الركيزة في الغرفة.
- إيداع ملحوظة طبقة رقيقة من قبل الاخرق في درجة حرارة الغرفة من ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S.
3. عينة من طرف محاذاة
- في هذه المرحلة، محاذاة رقاقة الاستشعار مع العينة بحيث غيض من الشريحة يجعل الاتصال مع عينة عندما تتحرك الدوامات. ولتحقيق ذلك، استخدم زاوية المواءمة بين 4 على الأقل درجة.
- الغراء ناتئ مرونة على لوحة إجراء بطبقة عازلة. ثم، الغراء تشي الحبارع على تعزية. السعة بين ناتئ ولوحة ثابتة تحدد اتصال مع العينة ومدى الإجهاد المطبق.
- عينة الحمل على المجهر. الغراء العينة على عينة المعينة جبل استخدام الورنيش أو الفضة عجينة. الغراء جبل لعنصر Z بيزو (الشكل 1A).
- ربط نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق إلى وحدة تحكم.
- إعداد التصوير الضوئي من زاويتين - الجبهة والجانب من الشريحة. استخدام اثنين من التلسكوبات وضعت على مراحل الترجمة، وتوجه إلى الجزء الأمامي من رقاقة واحدة من جانبيها.
- باستخدام Z عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، ونقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار، بحيث انعكاس استشعار مرئيا على العينة.
ملاحظة: اتصل بين العينة وأجهزة الاستشعار في هذه المرحلة قد تضر الحبار. - نقل عينة 0،5-1 ملم بعيدا من أجهزة الاستشعار على استخدام المرحلة Z عصا الانزلاق الخشنة الحركة لمنع الأضرار التي لحقت Sمضغة.
- تدوير مسامير محاذاة (الشكل 1A) للحصول على زوايا الجبهة متساوية (أي الزوايا الجانبين من طرف شريحة تجعل مع انعكاسه، كما رأينا في الشكل 1C).
- نقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار. تحقق من الزوايا وكرر الخطوة 3.7 و 3.8 إذا لزم الأمر.
- تدوير مسامير محاذاة للحصول على زاوية من 4 درجات بين أجهزة الاستشعار والعينة (1D الشكل). تأكد من غيض من رقاقة هو الجزء الذي يجعل الاتصال مع العينة.
4. القياسات
- تحميل رئيس المسح الضوئي (الشكل 1A) إلى نظام 4 K التبريد.
يجب أن تكون متصلا رأس المسح الضوئي إلى لوحة الباردة، وتحيط بها علبة فراغ: ملاحظة. سلك لفائف حول العلبة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي (حقول منخفضة من عدة غاوس كافية لهذه الدراسة). تغطية هذا الإعداد مع درع مو المعادن. - بارد في وجود ماغنيالحقل عرة، من خلال تطبيق الحالية من خلال لفائف المحيطة المجهر. اختيار قوة المجال بعناية لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. استخدام 1Φ 0 = 20.7 G / ميكرون 2 لحساب الحقل التباطؤ. على سبيل المثال، لمدة 10 الدوامات في 10 ميكرون 10 ميكرون المنطقة، وتطبيق 2.07 G.
- لتغيير لكثافة دوامة عينة الحرارة جديدة فوق درجة حرارة فائقة التوصيل الانتقال (لملحوظة، والحرارة فوق 10 K). تطبيق الحقل الجديد.
- عينة باردة إلى 4.2 ك.
- تحويل المجال المغناطيسي خارج. تحويل الحبار جرا.
- نقل عينة قريبة من الحبار باستخدام نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق.
- تطبيق الفولتية المتزايد على المكعب Z-عصا زلة لنقل عينة أقرب إلى شرائح الحبار.
- تطبيق الجهد بين ناتئ ولوحة لقراءة السعة باستخدام جسر السعة (0،1-1 الخامس عادة).
- اكتساح التيار الكهربائي عن العنصر Z بيزو. قياس السعة بين ناتئ وبلاته. إذا حدث تغيير كبير في السعة، وكانت العينة في اتصال مع رقاقة الحبار.
- إذا لم العينة اجراء اتصالات مع رقاقة، كرر الخطوات 4.6.1-4.6.3 حتى لوحظ الاتصال.
- اختياري: استخدام الحركة بالطبع لضبط التباعد بين طرف والعينة بحيث يحدث الاتصال في الفولتية المنخفضة (0-10 V تطبيقها على Z بيزو).
- ذات مرة كان هناك اتصال، كرر الخطوات من 4.6.2-4.6.3 في عدة مواقع من أجل تحديد زوايا الميل للسطح وتحديد الطائرة من العينة، نسبة إلى أجهزة الاستشعار.
- اكتساح التيار الكهربائي عن العناصر X و Y بيزو من أجل تحريك العينة بالنسبة إلى أجهزة الاستشعار. مسح على ارتفاع ثابت فوق عينة، من دون اتصال بين طرف والعينة، وذلك لرسم خريطة توزيع دوامة. تحقيق ارتفاع المسح المستمر عن طريق تغيير الجهد على بيزو Z وفقا لمواقع X و Y، والطائرة المحددة في 4.6.
- اختيار دوامة ومسح أروالثانية أن تحدد بدقة موقع وسطها. لاحظ أن الموقع دوامة نسبة إلى حلقة صغيرة الحبار، وليس لجهة الاتصال.
- تحويل الحبار قبالة.
- تطبيق الجهد أكبر من هبوط الجهد لض بيزو وإما الصنبور بجوار مركز الدوامة أو كنس دوامة عن طريق سحب أجهزة الاستشعار (في اتصال مع عينة) ببطء على العينة إلى الموقع المطلوب. فإن دوامة التحرك نحو الصنبور أو في الاتجاه الكاسح. القيم النموذجية لإضافتها إلى تطبيق ض بيزو الجهد هي 2-5 V.
- تحويل الحبار جرا.
- الصورة مرة أخرى على ارتفاع مستمر من دون اتصال لتحديد الموقع الجديد من دوامة.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
تم اختبار بروتوكول لدينا بنجاح على الآلاف من الأفراد الدوامات، وفصلها بشكل جيد في عينتين من ملحوظة، وتسعة عينات من NBN. نحن توليد الدوامات الجديدة على نفس العينة عن طريق تسخين العينة فوق ح، والتبريد مرة أخرى إلى 4.2 K في وجود مجال مغناطيسي. لقد اخترنا مجال مغناطيسي خارجي لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. نعرض هنا البيانات من هذه التجارب. وقد وصفت هذه النتائج بالتفصيل Kremen وآخرون. 11.
بروتوكول صفها هنا يسمح للتلاعب السيطرة عليها من الدوامات في تشكيلات مختلفة (الشكل 2). تم نقل الدوامات واحدة لمسافات تصل إلى 1 مم (الشكل 3)، وظلت مستقرة في مواقعهم الجديدة.
الشكل 2. التلاعب من الدوامات لتشكيل الحرف B. (أ) التكوين الأولي بعد تبريد العينة في وجود ماغنيالحقل عرة. (ب) التكوين الجديد بعد انتقاله الدوامات، في شكل إلكتروني B. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
الرقم 3. العديد من التلاعبات من دوامة واحدة، وسحبه لمسافة 820 ميكرون. أقحم: (أ) دوامة واحدة. ومن المقرر أن الإلتواء بين الإشارة المغناطيسية وظيفة انتشار نقطة استشعار في شكل ثقب المفتاح. (ب) تحول تفحص في اتصال مع الحبار جرا. المكان الأول الدوامة هو في الجهة اليسرى من الصورة. ذروة إشارة ينتقل إلى الجهة اليمنى دوامة، حتى يتم نقل دوامة في الطرف الأيمن وأي تحركات أطول. (ج) رسم تخطيطي للمسح في الاتصال. الغيض من أجهزة الاستشعار هو الأول لاجراء اتصالات مع العينة، في حين أن موقع الدوامة التي وردت من الفحص هو نسبة إلى حلقة صغيرة، وهو ما تقابله من غيض. الرجاء انقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
التلاعب الناجح من الدوامات يعتمد على عدة خطوات حاسمة. ومن المهم لتحقيق المواءمة بين أجهزة الاستشعار في زاوية، بحيث غيض من رقاقة سيكون أول لاجراء اتصالات مع العينة. ثانيا، من المهم أن نلاحظ أن القوة المبذولة على عينة يتم تحديدها من قبل الخواص الميكانيكية للناتئ أن يتم تركيب شريحة جرا. في نظام مرن، والقوة المطبقة يتناسب مع انحراف، والعاشر، وفقا للقانون هوك:
F = -kx
حيث k هو ثابت في الربيع، والتي تحددها معامل يونغ للمادة، والأبعاد المادية، ويعطى من قبل
ك = إت 3 ث / 4L 3
هنا، E هو معامل يونغ، ر هو سمك شعاع، ث هو عرض ول هو طول. لناتئ النحاس، E = 117 جيغا. وكان لدينا ناتئ 0.017 مم، 3 مم و 10.7 مم طويل، والتي تعطي ك = 0.35 نيوتن / متر. عندما كان الجهد في Z بيزو 1 V ادناهث هبوط، كان انحراف 1.6 ميكرون. وهذا يعطي قوة من 0.56 μN. من المهم اختيار المواد ناتئ وأبعادها بشكل صحيح، للحصول على القوة المطلوبة.
ومن المهم أيضا أن نلاحظ أن موقع دوامة كما تم مسحها ضوئيا من قبل الحبار نسبة إلى حلقة صغيرة، وأن نقطة اتصال والنازحين من حلقة صغيرة وفقا لحجم رقاقة وتلميع. هذا النزوح هو ليتم احتساب عند اختيار موقع الحدث الحنفية، أو مسح الاتصال، لضمان أن غيض من رقاقة يجعل الاتصال بالقرب من موقع دوامة.
إذا لم يكن النازحين دوامة بعد مسح في الاتصال، وتطبيق المزيد من الضغط عن طريق دفع غيض صعوبة في العينة، والضغط على عينة لفترة أطول أو سحب طرف أكثر ببطء عبر العينة قد يساعد في التغلب على القوى المثبتة وخلخل دوامة.
وقال إن العينة لا تظهر ذكرى manipulatiعلى؛ لاحظنا أي تغيير في ضعف النفاذية المغناطيسية من العينة، والمقابلة لكثافة الفائق، فضلا عن أي تغيير في تضاريس العينة. تكوينات دوامة جديدة خلقت بعد إعادة تسخين والتبريد في وجود مجال مغناطيسي لم تظهر ذكرى التلاعب السابقة إما 11.
يقتصر أسلوبنا حسب حجم نقطة الاتصال. هذه التقنية لديها القدرة لضبط موقع الدوامات، ولكن حتى الآن أننا أظهرنا قدرات بروتوكول لكبيرة نوعا ما، نصائح مصقول من الشريحة (من 100 نانومتر تصل إلى 1 ميكرومتر). هناك حاجة إلى توصيف غيض من أجل معرفة التدرجات سلالة.
في الختام، يسمح بروتوكول لدينا للتلاعب من الدوامات الفردية في فائقة التوصيل الأغشية الرقيقة في درجات حرارة منخفضة ودون مزيد من تلفيق من العينة. اتقان القدرة على التحكم في الموقع من الدوامات قد تكون لها تطبيقات في تصميمتدفق البوابات المنطقية القائمة، وكذلك في دراسة التفاعلات من الدوامات مع الدوامات أخرى، وشعرية، والجزيئات المغناطيسية الأخرى.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
نشكر A. شاروني من جامعة بار ايلان لتقديم الأفلام فائقة التوصيل. وأيد هذا البحث من قبل المجلس الأوروبي للبحوث غرانت ERC-2014-STG- 639792 والتكامل ماري كوري الوظيفي غرانت FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799، والعلوم إسرائيل منحة مؤسسة قوى الأمن الداخلي، 1102-1113.
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| stick slip coarse motion system | attocube | ANPx-101 | x,y motion |
| stick slip coarse motion system | attocube | ANPz-101 | z motion |
| stick slip coarse motion system controller | Attocube | ANC 300 | |
| high voltage amplifier | Attocube | ANC 250 | |
| data acquisition card | National Instruments | NI PCIe-6363 | |
| piezo elements | Piezo Systems Inc | T2C | non magnetic |
| low noise voltage preamplifier | Stanford Research Systems | SR 560 | |
| capacitance bridge | General Radio | 1615A | |
| telescope | NAVITAR | 1-504516 | |
| camera | MOTICAM | MP2 | |
| dewar | Cryofab | N/A | |
| insert | ICE oxford | N/A | |
| Mu-metal shield | Amuneal | N/A | |
| vacuum cap | ICE oxford | N/A | |
| sputtering system | AJA international Inc | N/A | |
| lapping film | 3M | 261X | non magnetic |
| Nb target | Kurt J. Lesker | EJTNBXX351A2 | |
| GE Varnish | CMR-Direct | 02-33-001 | for cryogenic heatsinking |
| Silver paste | Structure Probe Inc | 05063-AB |
References
- Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. Do Vortices Entangle? Phys. Rev. Lett. 92, 157002 (2004).
- Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501 (2007).
- Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
- 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).
- Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504 (2009).
- Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598 (2015).
- Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
- Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511 (2011).
- Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704 (2008).
- Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101 (2008).
- Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).
