Introduction
Hvirvler er magnetiske genstande på nanoskala, dannet i type 2 superledere i nærvær af ydre magnetfelt. I en defekt gratis prøve, kan hvirvler bevæge sig frit. Men forskellige defekter i materialet resultat i områder med reduceret superledning, der er energetisk gunstig for hvirvler. Hvirvler tendens til at dekorere disse regioner, også kendt som de pinning sites. I dette tilfælde skal den nødvendige kraft til at flytte en vortex være større end den pinning kraft. Egenskaber af hvirvler, såsom vortex tæthed, interaktion styrke og rækkevidde, kan let bestemmes af eksterne felt, temperatur, eller geometri af prøven. Evnen til at styre disse egenskaber gør dem til et godt modelsystem for faste stoffer adfærd, der let kan indstilles, samt egnede kandidater til elektroniske anvendelser 1, 2. Kontrol af placeringen af individuelle hvirvler er afgørende for udformningen af en sådan logiske elementer.
var opnået Mekanisk kontrol af magnetiske nanopartikler før. Kalisky et al. nylig brugt scanning superledende kvanteinterferens enhed (SQUID) at undersøge indflydelsen af lokale mekaniske belastning af ferromagnetiske patches i komplekse oxid grænseflader 3. De var i stand til at ændre retningen af plasteret ved scanning i kontakt, trykke spidsen af SQUID i prøven, at påføre en kraft på op til 1 μN i processen. Vi har brugt en lignende metode i vores protokol for at flytte hvirvler.
I eksisterende studier af vortex manipulation, blev bevægelse opnås ved påføring strøm til prøven, hvilket skaber Lorentz-kraften 4, 5, 6. Selv om denne fremgangsmåde er effektiv, er det ikke lokalt, og for at styre en enkelt hvirvel, skal supplerende fabrikation påkrævet. Hvirvler kan også være Manipulated ved at anvende ydre magnetfelt, for eksempel med en magnetisk kraft mikroskop (MFM) eller med en SQUID feltspole 7, 8. Denne metode er effektiv og lokalt, men kraften påført af disse værktøjer er lille, og kan overvinde pinning kraft ved høje temperaturer, tæt på den kritiske temperatur for superlederen. Vores protokol tillader effektiv, lokal manipulation ved lave temperaturer (4 K) uden yderligere fremstilling af prøven.
Vi billedfiler hvirvler hjælp scanning SQUID mikroskopi. Føleren er fremstillet på en silicium chip, som er poleret i et hjørne, og limet på en fleksibel cantilever. Cantilever anvendes til kapacitiv detektering af overfladen. Chippen er placeret i en vinkel til prøven, således at kontaktpunktet er på spidsen af chippen. Vi anvender styrker på op til 2 μN ved at skubbe chippen ind i prøven. Vi bevæger prøven i forhold til SQUID ved piezo elementer. Vi flyttervortex ved at trykke på silicium spids ud for en hvirvel, eller ved at feje det, rører vortex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Adgang til en scanning SQUID System
- Brug et scanning SQUID, der omfatter en SQUID-sensoren fremstillet på en chip 9, 10, stick-slip grove bevægelse fase, og et piezo-baserede scanner for fine bevægelser. Se figur 1.
- Polere SQUID chip i et hjørne omkring pickup loop. Materialet af chippen skal fjernes hele vejen til pickup sløjfe.
- polere forsigtigt SQUID, under anvendelse en 5 til 0,5 um umagnetisk polering papir.
BEMÆRK: Efter polering etape pickup loop kan bringes i umiddelbar nærhed, eller kontakt med prøven.
- polere forsigtigt SQUID, under anvendelse en 5 til 0,5 um umagnetisk polering papir.
2. Deponering af Niobium (Nb) Thin Film med jævnstrøm (DC) katodeforstøvning
- Opnå et substrat. I dette arbejde, bruger en bor-doteret silicium substrat med 500 nm af siliciumoxid. Andre substrater, såsom SrTiO og MgO er mulige.
- Nå en base tryk lore af 10 -7 Torr i kammeret. Pre-sputter fordampningen kammer ved stuetemperatur med en 99,95% Nb mål, i et argon miljø ved et tryk på 2,4 mTorr med en deposition på 1,8 Å / s for 10 min. Bemærk at afsætningsprocessen kun kan begynde, når basen trykket i kammeret er mindre end 10 -7 Torr. Hvis trykket er højere gentage den præ-sputtering fase.
- Placer substrat i kammeret.
- Depositum Nb tynd film ved forstøvning ved stuetemperatur fra en 99,95% Nb mål, i et argon miljø på tryk på 2,4 mTorr med en deposition på 1,8 Å / s.
3. Prøve-tip Alignment
- I denne fase, tilslutter sensorchippen med prøven, således at spidsen af chip danner kontakt med prøven ved flytning hvirvlerne. For at opnå dette, skal du bruge en tilpasning vinkel på mindst 4 °.
- Lim en fleksibel cantilever på en ledende plade med et dielektrisk lag. Derefter limes SQUID chip på cantilever. Kapaciteten mellem udliggeren og en statisk plade bestemmer kontakt med prøven og omfanget af stress påført.
- Load prøve på mikroskopet. Lim prøven til en udpeget prøve montere ved hjælp af en lak eller sølv pasta. Lim mount til Z piezo element (figur 1a).
- Tilslut stick slip grove bevægelser systemet til en controller.
- Oprette optisk afbildning fra to vinkler - forsiden og siden af chippen. Brug to teleskoper placeret på oversættelse stadier, rettet til forsiden af chippen og en af dens sider.
- Brug af Z stick-slip grove motion fase, flytte prøven til en afstand på 1 um fra sensoren, således at sensoren refleksion er synlig på prøven.
BEMÆRK: Kontakt mellem prøven og sensoren på dette tidspunkt kan skade blæksprutter. - Flyt prøven 0,5 - 1 mm væk fra sensoren ved hjælp af Z-stick slip grove bevægelser scenen for at undgå skader på SQuid.
- Drej alignment skruer (figur 1a) til at få lige store forreste vinkler (dvs. vinkler siderne af chippen tip gøre med sine overvejelser, som det ses i figur 1c).
- Flyt prøven til en afstand på 1 um fra sensoren. Kontroller vinklerne og gentag trin 3.7 og 3.8 om nødvendigt.
- Rotere justeringstappene skruer for at få en vinkel på 4 grader mellem sensoren og prøven (figur 1d). At spidsen af chippen er den del, som danner kontakt med prøven.
4. Målinger
- Indlæse scanningshovedet (figur 1a) til en 4 K kølesystem.
BEMÆRK: Scanning Hovedet skal være forbundet til en kold plade, og omgivet af et vakuum kan. Wire en spole omkring dåsen til at påføre ydre magnetfelt (lave områder af flere Gauss er tilstrækkelige til denne undersøgelse). Dæk denne opsætning med en Mu-metal skjold. - Cool i overværelse af magnetic område, ved at anvende strøm gennem spolen omkring mikroskopet. Vælg feltstyrken omhyggeligt for at opnå den ønskede vortex densitet. Brug 1Φ 0 = 20,7 g / um 2 at beregne cooldown felt. For eksempel til 10 hvirvler i en 10 um med 10 um-området, anvendes 2,07 G.
- For at skifte til en ny vortex tæthed varme prøve over superledende overgang temperatur (For Nb, varme over 10 K). Påfør det nye felt.
- Cool prøve til 4,2 K.
- Slå magnetfelt fra. Slå SQUID på.
- Flyt prøven tæt på SQUID hjælp af stick-slip grove bevægelsessystem.
- Påfør stigende spændinger på Z-stick-slip terning at bevæge prøven tættere på SQUID chip.
- Påfør spænding mellem udliggeren og pladen til aflæsning af kapacitans under anvendelse af en kapacitans bro (0,1-1 V typisk).
- Feje spændingen på Z piezoelementet. Mål kapacitans mellem udliggeren og plate. Hvis der opstår en stor ændring i kapacitansen er prøven i kontakt med SQUID chip.
- Hvis prøven ikke komme i kontakt med chippen, gentage trin 4.6.1-4.6.3 indtil der observeres kontakt.
- Valgfrit: Brug naturligvis bevægelse for at justere afstanden mellem spidsen og prøven, så kontakt forekommer ved lave spændinger (0 - 10 V, påtrykt på Z piezo).
- Når der er kontakt Gentag trin 4.6.2-4.6.3 flere steder for at bestemme de hældningsvinkler af overfladen og for at definere planet af prøven, i forhold til sensoren.
- Feje spændingen på X- og Y piezoelementerne for at bevæge prøven i forhold til sensoren. Scanne ved en konstant højde over prøven, uden kontakt mellem spidsen og prøven, for at kortlægge vortex distribution. Opnå en konstant scanning højde ved at ændre spændingen på Z piezo ifølge x- og y-placeringer og til planet defineret i 4.6.
- Vælg en hvirvel og scanne around det præcist bestemme placeringen af dens centrum. Bemærk, at vortex placering er i forhold til SQUID s pickup loop, ikke til kontaktpunktet.
- Slå SQUID off.
- Anvende en spænding, der er større end den touchdown spænding til z piezo og enten hanen siden af vortex center eller fej vortex ved at trække føleren (i kontakt med prøven) langsomt på prøven til et ønsket sted. Den vortex vil bevæge sig mod hanen eller i fejende retning. Typiske værdier for at føje til den anvendte z piezo spænding er 2-5 V.
- Slå SQUID på.
- Billede igen ved en konstant højde uden kontakt til at finde den nye placering af hvirvlen.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vores protokol blev med succes testet på tusindvis af individuelle, godt adskilt hvirvler i to prøver af Nb, og ni prøver af NbN. Vi skaber nye hvirvler på samme prøve af opvarmning af prøven ovenfor Tc, og afkøle den tilbage til 4,2 K i nærvær af et magnetfelt. Vi valgte den ydre magnetfelt at opnå den ønskede vortex densitet. Vi viser her data fra disse eksperimenter. Disse resultater er blevet beskrevet detaljeret af Kremen et al. 11.
Protokollen beskrevet her muliggør styrbar manipulation af hvirvler i forskellige konfigurationer (figur 2). Enkelte hvirvler blev flyttet over afstande på op til 1 mm (figur 3), og stabilt på deres nye placeringer.
Figur 1. Scanning SQUID-system. (A) scanning hoved. (B) Forstørret foto af området kredsede i (a). (C) Prøve-sensor foran vinkel. Vinklerne a og β mellem chippen og dens refleksion fra prøven skal være ens på begge sider. (D) Den valgte opretning vinklen mellem sensoren og prøven. Vinklen mellem chippen og refleksion er to gange den ønskede vinkel, som bør være mindst 4 °. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2. Manipulation af hvirvler til dannelse bogstavet B. (a) Oprindelig konfiguration efter afkøling af prøven i nærvær af magnetic felt. (B) En ny konfiguration efter at flytte hvirvler, i form af bogstavet B. Klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3. Flere manipulationer af en enkelt hvirvel, trække den over en afstand på 820 um. Indsat: (a) En enkelt hvirvel. Nøglehullet form skyldes foldning mellem det magnetiske signal og sensorens punktspredningsfunktion. (B) En scanning i kontakt med SQUID tændt. Den indledende placering af vortex er i venstre side af billedet. Toppen af signalet bevæger sig til højre med vortex, indtil vortex flyttes i højre ende og ikke længere bevæger sig. (C) En skitse af en scanning i kontakt. Detspidsen af sensoren er den første til at komme i kontakt med prøven, mens vortex placering modtaget fra scanningen er relativ til pickup loop, der er forskudt fra spidsen. Klik her for at se en større version af dette tal.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vellykket manipulation af hvirvler afhænger af flere kritiske trin. Det er vigtigt at bringe sensoren i en vinkel, således at spidsen af chippen vil være den første til at komme i kontakt med prøven. For det andet er det vigtigt at bemærke, at den kraft, der udøves på prøven bestemmes ved de mekaniske egenskaber af cantilever, at chippen er monteret på. I den elastiske regime, skal kraften er proportional med deformation, x, ifølge Hookes lov:
F = -kx
Hvor k er fjederkonstanten, bestemt ved Youngs modul af materialet, og dets fysiske dimensioner, og er givet ved
k = Et 3 m / 4l 3
Her, E er Youngs modul, t er tykkelsen af strålen, w er bredden og l er længden. For en kobber cantilever, E = 117 GPa. Vores cantilever var 0,017 mm tyk, 3 mm bred og 10,7 mm lang, hvilket giver k = 0,35 N / m. Når spændingen i Z piezo var 1 V below touchdown, afbøjning var 1,6 um. Dette giver en kraft på 0,56 μN. Det er vigtigt at vælge den cantilever materiale og dimensioner korrekt, for at få den ønskede kraft.
Det er også vigtigt at bemærke, at placeringen af vortex som scannes af SQUID er relativ til afhentning loop, og at dette kontaktpunkt forskydes fra pickup loop efter størrelsen af chippen og polering. Denne forskydning er gøres rede for ved valg af placering af hanen begivenhed, eller kontakten scanning, for at sikre, at spidsen af chip danner kontakt nær vortex placering.
Hvis en hvirvel ikke blev fortrængt efter scanning i kontakt, anvende mere stress ved at skubbe spidsen hårdere ind i prøven, vil tryk på prøven i en længere periode eller trække spidsen mere langsomt hen over prøven kan hjælpe med at overvinde pinning kraft og dislokere vortex.
Prøven viste ikke minde om manipulatipå; vi observeret nogen ændring i diamagnetisme af prøven svarende til den superflydende densitet, samt ingen ændring i topografien af prøven. Nye vortex konfigurationer oprettet efter genopvarmning og køling i tilstedeværelse af magnetfeltet viste ikke hukommelse af tidligere manipulationer enten 11.
Vores metode er begrænset af størrelsen af kontaktpunktet. Teknikken har potentiale til finjustering af placeringen af hvirvler, men indtil videre har vi demonstreret evner protokollen for temmelig store, poleret tips af chippen (fra 100 nm op til 1 pm). Karakterisering af spidsen er behov for at kende strain gradienter.
Afslutningsvis vores protokol tillader manipulation af individuelle hvirvler i superledende tyndfilm ved lave temperaturer og uden yderligere fremstilling af prøven. Mastering evnen til at styre placeringen af hvirvler kan have anvendelser i konstruktionen afflux baserede logiske gates samt i studiet af interaktionerne af hvirvler med andre hvirvler, gitteret og andre magnetiske partikler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Vi takker A. Sharoni fra Bar-Ilan University for at give de superledende film. Denne forskning blev støttet af Det Europæiske Forskningsråd Grant ERC-2014-STG- 639.792, Marie Curie Career Integration Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333.799, og Israel Science Foundation Grant ISF-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).
