Introduction
Virvlene er magnetiske gjenstander på nanoskala, dannet i type 2-superledere, i nærvær av ytre magnetfelt. I en defekt gratis prøve, kan virvlene bevege seg fritt. Men forskjellige defekter i materialet resultat i regioner med redusert superledning som er energisk gunstig for virvler. Virvlene har en tendens til å dekorere disse regionene, også kjent som låsing nettsteder. I dette tilfellet må den kraft som kreves for å flytte en hvirvel være større enn den kraft låsing. Egenskaper av virvler, som for eksempel virvel tetthet, interaksjon styrke og rekkevidde, kan lett bestemmes av ytre felt, temperatur, eller geometrien av prøven. Evnen til å kontrollere disse egenskapene gjør dem et godt modellsystem for kondensert materie atferd som lett kan innstilt, samt egnede kandidater for elektroniske søknader 1, 2. Kontroll av plasseringen av de enkelte virvler er viktig for utforming av et slikt lobiologiske elementer.
Mekanisk kontroll av magnetiske nanopartikler hadde blitt oppnådd før. Kalisky et al. nylig brukt skanning superledende quantum forstyrrelser enhet (SQUID) for å studere påvirkningen av lokal mekanisk stress på ferromagnetiske patcher i komplekse oksid grensesnitt 3. De var i stand til å endre orienteringen av plasteret ved skanning i kontakt, å trykke spissen av SQUID inn i prøven, å påføre en kraft på opp til 1 μN i prosessen. Vi har benyttet en lignende metode i vår protokoll for å kunne bevege seg virvler.
I eksisterende studier av vortex manipulering, ble bevegelse oppnås ved å påføre strøm til prøven, og dermed skape Lorentz-kraft 4, 5, 6. Selv om denne metoden er effektiv, er det ikke lokalt, og for å styre en enkelt vortex blir ytterligere fabrikasjon nødvendig. Virvlene kan også være manipulated ved påføring av ytre magnetfelt, for eksempel med en magnetisk kraft mikroskop (MFM) eller med en SQUID-feltspolen 7, 8. Denne metoden er effektiv og lokal, men den kraft som utøves av disse verktøyene er liten, og kan overvinne den kraft låsing bare ved høye temperaturer, i nærheten av den kritiske temperatur for det superleder. Vår protokollen tillater effektiv, lokal håndtering ved lave temperaturer (4 K) uten ytterligere fremstillingen av prøven.
Vi image virvler bruker scanning SQUID mikroskopi. Sensoren er fremstilt på en silisiumbrikke som er polert inn i et hjørne, og limt på en fleksibel cantilever. Cantilever brukes for kapasitiv avføling av overflaten. Brikken er plassert i en vinkel til prøven, slik at kontaktpunktet er ved spissen av brikken. Vi anvender krefter på opp til 2 μN ved å skyve brikken inn i prøven. Vi bevege prøve i forhold til SQUID ved piezo-elementer. Vi flyttervirvelen ved å trykke på silisium tips ved siden av en vortex, eller ved å feie det, berøre vortex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tilgang til en Scanning SQUID System
- Bruke et scanning SQUID-system som omfatter en SQUID-sensor fremstilt på en brikke 9, 10, stick slip grov bevegelsestrinn, og et piezo-baserte skanner for fin bevegelse. Se figur 1.
- Polere SQUID chip inn i et hjørne rundt pickup loop. Materialet av brikken må fjernes helt til den pickup sløyfen.
- Forsiktig polere SQUID, ved hjelp av en 5 til 0,5 pm ikke-magnetisk polerpapir.
MERK: Etter poleringstrinnet pickup sløyfe kan bringes inn i nærheten, eller ta kontakt med prøven.
- Forsiktig polere SQUID, ved hjelp av en 5 til 0,5 pm ikke-magnetisk polerpapir.
2. Avsetning av niob (Nb) Thin Film med likespenning (DC) Sputtering
- Skaff et substrat. I dette arbeidet, bruk en boron-dopet silisium substrat med 500 nm av silisium oksid. Andre materialer som SrTiO og MgO er mulig.
- Nå en base Manometerre av 10 -7 Torr i kammeret. Pre-frese fordampningskammeret ved romtemperatur med en 99,95% Nb mål, i et miljø argon ved et trykk på 2,4 mTorr med en avsetningshastighet på 1,8 Å / s i 10 min. Legg merke til at avsetningsprosessen kan begynne bare når basen trykket i kammeret er mindre enn 10 -7 Torr. Hvis trykket er høyere gjenta den pre-sputtering scenen.
- Plasser substrat i kammeret.
- Innskudd Nb tynn film ved spruting ved romtemperatur fra en 99,95% Nb mål, i et miljø argon ved trykk på 2,4 mTorr med en avsetningshastighet på 1,8 A / S.
3. Prøve-tip Alignment
- I denne fasen, justere sensorbrikken med prøven slik at spissen av brikken gjør kontakt med prøven ved flytting hvirvlene. For å oppnå dette, må du bruke en innretting vinkel på minst 4 °.
- Lim et fleksibelt utkraget på en ledende plate med et dielektrisk lag. Deretter lim SQUID chip på cantilever. Kapasitansen mellom cantilever og en statisk plate bestemmer kontakt med prøven og graden av belastning påføres.
- Belastning prøven på mikroskop. Lim prøven til et utpekt prøve montere ved hjelp av en lakk eller sølv lim. Lim mount til Z piezo element (Figur 1a).
- Koble stick slip grov bevegelsessystem til en kontroller.
- Sett opp optisk avbildning fra to vinkler - foran og på siden av brikken. Bruk to teleskoper som er plassert på oversettingstrinn, rettet mot fremsiden av brikken og en av dens sider.
- Ved hjelp av Z-pinnen slip grov bevegelsestrinn, beveger prøven til en avstand på 1 mikrometer fra føleren, slik at føleren refleksjon er synlig på prøven.
MERK: Kontakt mellom prøven og føleren på dette stadium kan være skadelig for SQUID. - Flytt prøven 0,5 - 1 mm bort fra sensoren ved hjelp av Z stick slip grov bevegelse scenen for å hindre skade på SPund.
- Drei justeringsskruene (Figur 1a) for å få like foran vinkler (dvs. vinkler sidene av chip i spissen gjør med sin refleksjon, som vist i Figur 1c).
- Bevege prøve til en avstand på 1 mikrometer fra sensoren. Sjekk vinklene og gjentar trinn 3.7 og 3.8 om nødvendig.
- Rotere justeringsskruene for å få en vinkel på 4 grader mellom sensor og prøve (figur 1d). Sørge for at spissen av brikken er den del som kommer i kontakt med prøven.
4. Målinger
- Last skannehodet (figur 1a) til en 4 K kjølesystem.
MERK: Skanning hode skal kobles til en kald plate, og er omgitt av et vakuum kan. Koble en spiral rundt boks for påføring av ytre magnetfelt (lave felt av flere Gauss er tilstrekkelig for dette studium). Dekk dette oppsettet med en Mu-metall skjold. - Avkjøl i nærvær av magnetic felt, ved å påføre strøm gjennom spolen som omgir mikroskop. Velge feltstyrken nøye for å oppnå den ønskede virvel tetthet. Bruk 1Φ 0 = 20,7 G / mikrometer 2 for å beregne cooldown feltet. For eksempel, for 10 virvler i en 10 um ved 10 um område, gjelder 2.07 G.
- For å bytte til en ny vortex tetthet varme prøven over den superledende overgangstemperatur (for Nb for varme over 10 K). Påfør det nye feltet.
- Cool prøve til 4,2 K.
- Slå magnetfelt av. Slå SQUID på.
- Flytt prøven nær SQUID hjelp av pinnen slip grov bevegelsessystem.
- Anvende økende spenninger på den Z-stick slip kube for å bevege prøve nærmere SQUID chip.
- Påfør spenning mellom cantilever og platen for å lese kapasitans ved hjelp av en kapasitans bro (0,1-1 V vanligvis).
- Feie spenningen på Z piezo element. Mål kapasitansen mellom cantilever og plattformere. Hvis en stor endring i kapasitans inntreffer, er prøven i kontakt med SQUID chip.
- Hvis prøven ikke ta kontakt med chip, gjenta trinn 4.6.1-4.6.3 til kontakt er observert.
- Valgfritt: Bruk kurs bevegelse for å justere avstanden mellom spissen og prøven, slik at kontakt oppstår ved lave spenninger (0 - 10 V anvendes på Z piezo).
- Så snart det er kontakt, gjenta trinn 4.6.2-4.6.3 på flere steder, for å bestemme helningsvinklene overflaten og for å definere planet til prøven, i forhold til føleren.
- Feie spenningen på X- og Y-piezo-elementer for å bevege prøven i forhold til føleren. Skanne med en konstant høyde over prøven, uten kontakt mellom spissen og prøven, for å kartlegge vortex fordeling. Oppnå en konstant skanne høyde ved å endre spenningen på Z piezo i henhold til X- og Y-stedene, og til planet som er definert i 4.6.
- Velg en vortex og skanne runnd det å nøyaktig bestemme plasseringen av dets sentrum. Merk at vortex plasseringen er i forhold til SQUID pickup loop, ikke til kontaktpunktet.
- Slå SQUID av.
- Anvende en spenning som er større enn den touchdown spenning til z piezo og enten hurtig på siden av vortex sentrum eller fei virvel ved å flytte sensoren (i kontakt med prøven) langsomt på prøven til et ønsket sted. Virvel vil bevege seg mot springen eller i feiende retning. Typiske verdier for å legge til den påførte z piezo spenning er 2-5 V.
- Slå SQUID på.
- Bilde igjen på en konstant høyde uten kontakt for å finne den nye plasseringen av vortex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vår protokollen ble testet på tusenvis av individuelle, godt adskilt virvlene i to prøver av Nb, og ni prøver av NBN. Vi generere nye virvler på den samme prøven ved oppvarming av prøven ovenfor Tc, og avkjøling tilbake til 4,2 K i nærvær av et magnetisk felt. Vi valgte ytre magnetfelt for å oppnå den ønskede virvel tetthet. Vi viser her data fra disse eksperimentene. Disse resultatene er blitt beskrevet i detalj av Kremen et al. 11.
Protokollen er beskrevet her gjør det mulig for styrbar manipulering av hvirvlene i ulike konfigurasjoner (figur 2). Enkelt virvlene ble flyttet over avstander på opptil 1 mm (figur 3), og holdt seg stabilt på sine nye steder.
Figur 1. Skanning SQUID system. (A) skanning hode. (B) Forstørret bilde av området sirklet i (a). (C) Prøve-sensor foran vinkel. Vinklene a og β mellom brikken og dens refleksjon fra prøven bør være lik på begge sider. (D) Den valgte innretting vinkel mellom sensoren og prøven. Vinkelen mellom brikken og refleksjon er to ganger den ønskede vinkel, som bør være minst 4 °. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2. Manipulering av virvler for å danne bokstaven B. (a) Første konfigurasjon etter avkjøling prøven i nærvær av magnetic-feltet. (B) En ny konfigurasjon etter flytting virvlene, i form av bokstaven B. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3. Flere manipulasjoner av en enkelt vortex, dra den over en distanse på 820 mikrometer. Innfelt: (a) En enkelt vortex. Den nøkkelhullform er på grunn av konvolvering mellom det magnetiske signal og sensorens punktspredefunksjonen. (B) En skanning i kontakt med SQUID slått på. Den innledende plassering av vortex er til venstre i bildet. Toppen av signalet beveger seg mot høyre med vortex, inntil vortex er flyttet helt til høyre, og ikke lenger beveger seg. (C) En skisse av en skanning i kontakt. Detuppen av sensoren er den første til å ta kontakt med prøven, mens vortex plassering mottatt fra skanningen er i forhold til pickup loop, som er forskjøvet fra spissen. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Vellykket manipulering av virvlene avhenger av flere kritiske trinn. Det er viktig å innrette føleren i en vinkel, slik at spissen av brikken vil være den første til å gjøre kontakt med prøven. For det andre er det viktig å merke seg at den kraft som utøves på prøven blir bestemt ved de mekaniske egenskaper av cantilever at brikken er montert på. I det elastiske regimet, er den kraft som utøves proporsjonal med nedbøyning, x, ifølge Hookes lov:
F = -kx
Hvor k er fjærkonstanten, bestemt ved elastisitetsmodul av materialet, og dets fysiske dimensjoner, og er gitt ved
k = Et 3 m / 4l 3
Her er E Youngs modul, t er tykkelsen av strålen, w er bredden og l er lengden. For en kobber cantilever, E = 117 GPa. Vår cantilever var 0,017 mm tykk, 3 mm bred og 10,7 mm lang, noe som gir k = 0,35 N / m. Når spenningen i Z piezo var en V Below touchdown, den deflection var 1,6 mikrometer. Dette gir en kraft på 0,56 μN. Det er viktig å velge den cantilever materiale og dimensjoner på riktig måte, for å få den ønskede kraft.
Det er også viktig å merke seg at plasseringen av virvelen som skannes av SQUID-er i forhold til pickup løkke, og at kontaktpunktet er forskjøvet fra mater sløyfe i henhold til størrelsen av brikken og polering. Denne forskyvning skal regnskapsføres etter når du velger plassering av kranen hendelsen, eller skanne kontakten, for å sikre at tuppen av brikken får kontakt nær vortex plassering.
Hvis en vortex ikke ble fortrengt etter å ha skannet i kontakt, å anvende mer stress ved å skyve spissen hardere inn i prøven, vil trykking av prøven for et lengre tidsrom eller ved å dra tuppen mer langsomt over prøven kan bidra til å overvinne den låsing kraft og forskyve en vortex.
Prøven viste ikke minne om manipulatipå; Vi observerte ingen endring i den diamagnetism av prøven, tilsvarende den superflytende tetthet, så vel som ingen endring i topografien av prøven. Nye vortex konfigurasjoner opprettet etter gjenoppvarming og avkjøling i nærvær av magnetfeltet viste ikke hukommelse tidligere manipulasjoner enten 11.
Vår fremgangsmåte er begrenset av størrelsen på kontaktpunktet. Teknikken har potensial for finjustering plasseringen av virvler, men så langt vi har vist evnene til protokollen for ganske store, polerte tips av chip (fra 100 nm opp til 1 mikrometer). Karakterisering av spissen er nødvendig for å vite strekk gradienter.
Som konklusjon tillater vår protokoll for manipulering av de enkelte virvler i superledende tynne filmer ved lave temperaturer og uten ytterligere bearbeiding av prøven. Maste muligheten til å kontrollere plasseringen av virvler kan ha anvendelser i utformingen avflux baserte logiske porter, samt i studiet av interaksjoner mellom virvlene med andre virvler, gitteret, og andre magnetiske partikler.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Vi takker A. Sharoni fra Bar-Ilan-universitetet for å gi de superledende film. Denne forskningen ble støttet av European Research Council Grant ERC-2014-STG- 639792, Marie Curie Career Integration Grants FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, 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).
