Introduction
Вихри магнитные объекты на наноуровне, образовавшиеся в 2 типа сверхпроводников в присутствии внешнего магнитного поля. В бездефектно образце, вихри могут свободно перемещаться. Тем не менее, различные дефекты в материальном результате в области пониженной сверхпроводимости, которые являются энергетически выгодным для вихрей. Вихри, как правило, украшают эти регионы, также известный как пиннинговых сайтов. В этом случае сила, необходимая для перемещения вихря должна быть больше силы пиннинга. Свойства вихрей, таких как плотность вихрей, сила взаимодействия и диапазон, можно легко определить с помощью внешнего поля, температуры или геометрии образца. Способность управлять этими свойствами делает их хорошей моделью системы конденсированного поведения вещества , которые могут быть легко настроены, а также подходящих кандидатов для электронных приложений 1, 2. Контроль расположения отдельных вихрей имеет важное значение для разработки такого Иоческие элементы.
Механическое управление магнитных наночастиц было достигнуто ранее. Kalisky и др. в последнее время используется для сканирования сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID) с целью изучения влияния локального механического напряжения на ферромагнитных пластырей в сложных оксидных интерфейсов 3. Они были в состоянии изменить ориентацию пластыря при сканировании в контакте, нажав кончик SQUID в образец, прилагаемое усилие до 1 мкН в процессе. Мы использовали подобный метод в нашем протоколе для перемещения вихрей.
В существующих исследованиях манипулирования вихревого, движения было достигнуто за счет подачи тока к образцу, таким образом , создавая силу Лоренца , 4, 5, 6. В то время как этот метод эффективен, он не является локальным, а для того, чтобы управлять одним завихрения, требуется дополнительное изготовление. Вихри также может быть Manipнерегулируемом путем применения внешнего магнитного поля, например , с помощью магнитного силового микроскопа (MFM) или с помощью СКВИД поля катушки 7, 8. Этот метод эффективен и местные, но сила, приложенная этими инструментами мал, и может преодолеть силу пиннинга только при высоких температурах, близких к критической температуре сверхпроводника. Наш протокол позволяет эффективно, местные манипуляции при низких температурах (4 К) без дополнительного изготовления образца.
Мы изображений вихрями с использованием сканирующей SQUID микроскопии. Датчик изготовлен на кремниевом чипе, который полируется в угол, и приклеены на гибкой кантилевера. Консольная используется для емкостного зондирования поверхности. Микросхема расположена под углом по отношению к образцу, таким образом, что точка контакта находится на конце чипа. Мы применяем силы до 2 мкН, нажав на чип в образец. Двигаемся образца относительно СКВИД с помощью пьезоэлектрических элементов. Мы движемсявихрь, нажав на кремниевый наконечник рядом с вихрем, или путем подметать его, касаясь вихря.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Доступ к системе сканирования SQUID
- Используйте систему SQUID сканирования , который включает в себя датчик на SQUID , изготовленную на кристалле 9, 10, палка скольжения стадии грубого движения и пьезоэлектрическим на основе сканера для тонкой движения. Смотри рисунок 1.
- Польский чип SQUID в угол вокруг петли съема. Материал чипа должен быть удален весь путь к петле пикап.
- Аккуратно отполировать SQUID, используя от 5 до 0,5 мкм немагнитный полируя бумагу.
Примечание: После того, как на стадии доводки петля пикап может быть приведен в непосредственной близости или контакта с образцом.
- Аккуратно отполировать SQUID, используя от 5 до 0,5 мкм немагнитный полируя бумагу.
2. Отложение ниобия (Nb) тонкопленочных постоянным током (DC) распылении
- Получить субстрат. В этой работе, используют легированного бором кремниевой подложки с 500 нм оксида кремния. Другие субстраты, такие как SrTiO и MgO возможны.
- Reach базовую pressuповторное 10 -7 Торр в камере. Предварительно разбрызгивание в испарительную камеру при комнатной температуре с целью 99,95% Nb, в аргоновой среде при давлении 2,4 мТорр со скоростью осаждения 1,8 Å / с в течение 10 мин. Следует отметить , что процесс осаждения может начаться только тогда , когда базовое давление в камере составляет менее 10 -7 торр. Если давление выше, повторите этап предварительного напыления.
- Поместите подложку в камере.
- Депозит Nb тонкопленочный путем распыления при комнатной температуре от мишени 99,95% Nb, в аргоновой среде при давлении 2,4 мТорр со скоростью осаждения 1,8 Å / с.
3. Образец кончика Выравнивание
- На этом этапе выравнивания сенсорного чипа с образцом так, чтобы кончик чипа контактирует с образцом при перемещении вихрей. Для достижения этой цели использовать угол выравнивания по меньшей мере 4 °.
- Клей гибкий кантилевер на проводящей пластине с диэлектрическим слоем. Затем клей SQUID чир на кантилевер. Емкость между кантилевера и статической пластины определяет контакт с образцом, и степень напряжения, приложенного.
- Образец нагрузки на микроскоп. Клей образца к обозначенному образца крепление с помощью лака или серебряной пасты. Клей крепление к Z пьезоэлемента (рис 1а).
- Подключите палку скольжения систему грубой движения к контроллеру.
- Настройка оптических изображений с двух точек зрения - спереди и сбоку от чипа. С помощью двух телескопов, размещенных на этапах перевода, направленные на лицевой стороне чипа и одной из его сторон.
- Использование Z палки скольжения стадии грубого движения, перемещения образца на расстоянии 1 мкм от датчика, так что отражение сенсора видна на образце.
Примечание: Контакт между образцом и датчиком на данном этапе может нанести вред кальмара. - Перемещение образца 0,5 - 1 мм от датчика с использованием стадии Z палочка скольжения грубое движение, чтобы предотвратить повреждение SQUID.
- Поверните винты выравнивания (рисунок 1а) , чтобы получить равные углы передних (т.е. углы стороны наконечника чипа сделать с его отражением, как показано на рисунке 1c).
- Перемещение образца на расстоянии 1 мкм от датчика. Проверьте углы и повторите шаг 3.7 и 3.8, если это необходимо.
- Поворот центрирующих винта , чтобы получить угол 4 градуса между датчиком и образца (рис 1d). Убедитесь, что кончик чипа является частью, которая входит в контакт с образцом.
4. Измерения
- Загрузите сканирующую головку (рис 1а) к системе 4 K охлаждения.
Примечание: сканирующая головка должна быть подключена к холодной плите, и окружен вакуумной емкости. Разводка катушки вокруг баллона для нанесения внешнего магнитного поля (низкие поля нескольких Гаусс достаточны для этого исследования). Накройте эту установку с мю-металлическим щитом. - Охладить в присутствии МаньTIC поле, путем подачи тока через катушку, охватывающую микроскоп. Выберите напряженность поля тщательно, чтобы достичь желаемой плотности вихрей. Используйте 1Ф 0 = 20,7 г / мкм 2 для расчета перезарядка поле. Например, для 10 вихрей в 10 мкм на 10 мкм в области, применяют 2,07 G.
- Для перехода к новой пробе тепла плотность вихрей выше температуры сверхпроводящего перехода (Для Nb, нагревать до температуры выше 10 К). Применить новое поле.
- Прохладный образца до 4,2 К.
- Включите магнитное поле выключено. Включите SQUID на.
- Перемещение образца близко к SQUID с помощью ручки скольжения система грубой движения.
- Применить возрастающие напряжения на кубе Z-палки скольжения для перемещения образца ближе к микросхеме SQUID.
- Нанести напряжение между кантилевера и пластиной для считывания емкости с использованием емкостного моста (0,1-1 V обычно).
- Развертки напряжение на элементе Z пьезо. Измерьте емкость между кантилевера и Плате. Если происходит большое изменение емкости, образец находится в контакте с чипом SQUID.
- Если образец не вступать в контакт с чипом, повторите шаги 4.6.1-4.6.3, пока не наблюдается контакт.
- Необязательно: Используйте движение курса для регулировки расстояния между зондом и образцом, так что контакт происходит при низких напряжениях (0 - 10 В применяется на Z пьезо).
- После того, есть контакт, повторите шаги 4.6.2-4.6.3 в нескольких местах, чтобы определить углы наклона поверхности и определить плоскость образца, по отношению к датчику.
- Развертки напряжение на X и Y пьезоэлементов для перемещения образца относительно датчика. Сканирование при постоянной высоте над образцом, без контакта между зондом и образцом, с целью картирования распределения вихрей. Достичь постоянную высоту сканирования путем изменения напряжения на Z пьезо согласно расположению Х и У, а к плоскости, определенной в 4.6.
- Выберите вихрь и сканирование Arouе он точно определить расположение его центра. Обратите внимание, что расположение вихря относительно цикла срабатывания кальмара, а не в точке контакта.
- Включите SQUID выключен.
- Нанести напряжение, которое больше, чем напряжение приземлением к г пьезоэлементом и либо нажмите рядом с центром вихря или подметать вихрь путем перетаскивания датчика (в контакте с образцом) медленно на образце в нужное место. Вихрь будет двигаться в направлении крана или в стремительной направлении. Типичные значения для добавления приложенного напряжения г пьезо являются 2-5 В.
- Включите SQUID на.
- Изображение снова на постоянной высоте без контакта, чтобы найти новое местоположение вихря.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Наш протокол был успешно протестирован на тысячи отдельных, хорошо разделенных вихрей в двух образцах Nb, и девять образцов NbN. Мы генерируем новые завихрения на том же образце путем нагрева образца выше Тс, и охлаждение его обратно до 4,2 К в присутствии магнитного поля. Мы выбрали внешнее магнитное поле, чтобы достичь желаемой плотности вихрей. Здесь мы показываем данные из этих экспериментов. Эти результаты были подробно описаны Кремень и др. 11.
Протокол , описанный здесь , позволяет контролируемого манипулирования вихрей в различных конфигурациях (рисунок 2). Одиночные вихри были перенесены на расстояния до 1 мм (рисунок 3), и оставался стабильным в новых местах.
Рисунок 2. Манипулирование вихрей с образованием букву B. (а) конфигурации после охлаждения образца в присутствии Манькрестики поле. (Б) Новая конфигурация после перемещения вихрей, в форме буквы B. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Рисунок 3. Несколько манипуляций одиночного вихря, перетащив его на расстоянии 820 мкм. Врезка: (а) Один вихрь. Замочная форма обусловлена свертке между магнитным сигналом и точка распространения функции датчика. (Б) сканирование , в контакте с SQUID включен. Начальное расположение вихря в левой части изображения. Пик сигнала перемещается вправо с вихрем, пока вихрь не перемещается на правом конце и больше не движется. (С) эскиз сканирования в контакте.Наконечник датчика является первым вступать в контакт с образцом, в то время как расположение вихря, полученные от сканирования является относительно цикла считывающего устройства, которая смещена от кончика. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Успешное манипулирование вихрей зависит от нескольких важных шагов. Важно, чтобы выровнять датчик под углом, таким образом, что кончик чипа будет первым вступать в контакт с образцом. Во-вторых, важно отметить, что сила, действующая на образце определяется механическими свойствами кантилевера, что чип установлен на. В упругом режиме, сила, приложенная пропорциональна прогибу, х, в соответствии с законом Гука:
F = кх
Где К-постоянная пружины, определяется модулем Юнга материала, а также его физические размеры, и дается
к = Et 3 ж / 4L 3
Здесь Е модуль Юнга, т толщина балки, W- ширина и L есть длина. Для получения медного кантилевера, Е = 117 ГПа. Наш кантилевера был толщиной 0,017 мм, шириной 3 мм и длиной 10,7 мм, которые дают к = 0,35 Н / м. Когда напряжение в Z пьезо был 1 V нижж приземление, отклонение составляет 1,6 мкм. Это дает силу 0,56 мкН. Важно, чтобы выбрать консольную материала и размеров должным образом, чтобы получить желаемую силу.
Важно также отметить, что расположение вихря, как сканируется кальмар по отношению к петле срабатывания, и что точка контакта смещается из петли захвата в соответствии с размерами кристалла и полировки. Это смещение должно учитываться при выборе места события под крана, или контактного сканирования, чтобы гарантировать, что кончик чипа контактирует вблизи места вихря.
Если вихрь не был смещен после сканирования в контакте, применяя больше стресса, нажав на кончик труднее в образец, нажимая на образец в течение более длительного периода или перетаскиванием кончик более медленно через образец может помочь преодолеть силу пиннинга и вывихнуть вихрь.
Образец не показывал память о manipulatiна; мы не наблюдали никаких изменений в диамагнетизме образца, соответствующий сверхтекучей плотности, а также никаких изменений в топографии образца. Новые конфигурации вихрей созданы после повторного нагрева и охлаждения в присутствии магнитного поля не показали памяти предыдущих манипуляций либо 11.
Наш метод ограничен размером точки контакта. Методика имеет потенциал для тонкой настройки расположения вихрей, но до сих пор мы продемонстрировали способности протокола для достаточно больших полированных наконечников чипа (от 100 нм до 1 мкм). Характеристика наконечника необходима для того, чтобы знать, градиенты деформации.
В заключение, наш протокол допускает манипулирование отдельных вихрей в сверхпроводящих тонких пленок при низких температурах и без дальнейшего изготовления образца. Овладение возможность контролировать местоположение вихрей может иметь применение в конструкциифлюс на основе логических вентилей, а также в изучении взаимодействия вихрей с другими вихрями, решетки и других магнитных частиц.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Мы благодарим А. Sharoni из Университета Бар-Илан для обеспечения сверхпроводящих пленок. Это исследование было поддержано Европейский исследовательский совет Грант ERC-2014-STG- 639792, Мари Кюри Карьера интеграции Грант FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, и Израиль научного фонда Грант ISF-1102/13.
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).
