Introduction
Wervels magnetische voorwerpen op nanoschaal, gevormd in type 2 supergeleiders in de aanwezigheid van extern magnetisch veld. In een defect gratis monster, kunnen draaikolken vrij bewegen. Echter, verschillende defecten in het materiaal leiden tot gebieden van verminderde supergeleiding die energetisch gunstig voor vortices zijn. Wervels de neiging om deze regio's, ook wel bekend als de pinning-sites te versieren. In dit geval moet de kracht die nodig is om een vortex te bewegen groter dan de pinning kracht. Eigenschappen van wervels, zoals vortex dichtheid interactie sterkte en bereik, kan gemakkelijk worden bepaald door uitwendig veld, temperatuur of geometrie van het monster. De mogelijkheid om deze eigenschappen te besturen hun een goed modelsysteem voor gecondenseerde gedrag dat gemakkelijk kan worden afgestemd, maar ook geschikte kandidaten voor elektronische toepassingen 1, 2. Controle van de locatie van individuele wervels is essentieel voor het ontwerp van dergelijke logische elementen.
Mechanisch magnetische nanodeeltjes was eerder bereikt. Kalisky et al. recent gebruikte scanning supergeleidende quantuminterferentie inrichting (SQUID) de invloed van plaatselijke mechanische belasting van ferromagnetische patches complexe oxide interfaces 3 bestuderen. Zij konden de oriëntatie van de pleister door te scannen in contact, op de punt van de squid in het monster, een kracht van maximaal 1 μN in het proces. We hebben een soortgelijke werkwijze gebruikt ons protocol om wervelingen te bewegen.
In bestaande studies vortexmanipulatie werd motion bereikt door stroom aan het monster, waardoor Lorentzkracht 4, 5, 6. Hoewel deze werkwijze effectief is, is niet lokaal, en om één wervel regel is extra fabricage vereist. Wervels kan ook worden manipulated door toepassing van extern magnetisch veld, bijvoorbeeld met een magnetische kracht microscoop (MFM) of met een SQUID veldspoel 7, 8. Deze werkwijze is effectief en lokale, maar de door deze gereedschappen uitgeoefende kracht klein is, en kan de pinning kracht Pas bij hoge temperaturen dicht bij de kritische temperatuur van de supergeleider overwinnen. Ons protocol maakt een doeltreffend, lokale manipulatie bij lage temperaturen (4 K) zonder bijkomende productie van het monster.
We image wervels met behulp van scanning SQUID microscopie. De sensor wordt gefabriceerd op een siliciumchip die wordt gepolijst in een hoek, en gelijmd op een flexibele cantilever. De cantilever wordt gebruikt voor capacitieve detectie van het oppervlak. De chip is geplaatst onder een hoek met het monster, zodat het contactpunt is aan het uiteinde van de chip. We passen krachten tot 2 μN door op de chip in de monsterhouder. We gaan het monster ten opzichte van de squid door piëzo-elementen. Wij verhuizende draaikolk door te tikken op het silicium tip naast een vortex, of door het vegen van het, het aanraken van de vortex.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. De toegang tot een Scanning PIJLINKTVIS System
- Gebruik een scanning SQUID systeem dat een SQUID sensor gefabriceerd op een chip 9, 10, stok slip grof beweging podium, en een piëzo-gebaseerde scanner voor fijne beweging omvat. Zie figuur 1.
- Pools de squid chip in een hoek in de buurt van de pick-up lijn. Het materiaal van de chip moet worden verwijderd tot aan de opneemlus.
- Voorzichtig polijsten de squid, met behulp van een 5-0,5 urn niet-magnetische polijsten papier.
LET OP: Na het polijsten podium de pick-up lijn in de nabije omgeving, of contact kan worden gebracht met het monster.
- Voorzichtig polijsten de squid, met behulp van een 5-0,5 urn niet-magnetische polijsten papier.
2. Afzetting van niobium (Nb) Thin Film met Direct Current (DC) Sputteren
- Zorg voor een substraat. In dit werk, gebruik maken van een boor gedoteerd silicium substraat met 500 nm siliciumoxide. Andere substraten zoals SrTiO en MgO mogelijk.
- Bereik een base pressure van 10 -7 Torr in de kamer. Pre-sputteren de verdampingskamer bij kamertemperatuur met 99,95% Nb doel in een argon omgeving met een druk van 2,4 mTorr met een afzettingssnelheid van 1,8 A / s tot 10 min. Merk op dat het depositieproces alleen starten als de basisdruk in de kamer kleiner is dan 10 -7 Torr. Als de druk hoger repeat de pre-sputteren fase.
- Plaats substraat in de kamer.
- Borg Nb dunne film door sputteren bij kamertemperatuur van een 99,95% Nb doel in een argon omgeving bij een druk van 2,4 mTorr met een afzettingssnelheid van 1,8 A / s.
3. Sample-tip Alignment
- In deze fase, lijn de sensorchip met het monster zodat het uiteinde van de chip contact met het monster maakt bij het verplaatsen van de wervels. Hiervoor gebruikt een uitlijning hoek van ten minste 4 °.
- Lijm een flexibele cantilever op een geleidende plaat met een diëlektrische laag. Dan lijm de SQUID chip op de cantilever. De capaciteit tussen de cantilever en een statische plaat bepaalt het contact met het monster en de mate van stress toegepast.
- Load sample op de microscoop. Lijm het monster naar een aangewezen monster te monteren met behulp van een vernis of zilveren plak. Lijm de berg naar de Z piëzo-element (figuur 1a).
- Sluit de stick slip grof motion systeem naar een controller.
- Opgericht optische beeldvorming vanuit twee hoeken - de voor- en zijkant van de chip. Met twee telescopen geplaatst vertaling stadia, gericht op de voorzijde van de chip en één kant.
- Met behulp van de Z-stick slip grof beweging stadium verplaatst het monster op een afstand van 1 micrometer van de sensor, zodat de reflectie van de sensor zichtbaar is op het monster.
OPMERKING: Neem contact tussen het monster en de sensor in dit stadium kan de squid schaden. - Beweeg het monster 0,5-1 mm van de sensor met de Z-stick slip grof bewegingstafel om schade aan de S voorkomenQUID.
- Draai de uitlijningsschroeven (figuur 1a) gelijke voorste hoeken krijgen (dat wil zeggen, hoeken de zijkanten van de punt van de chip te maken met zijn reflectie, zoals in figuur 1c).
- Beweeg het monster op een afstand van 1 urn van de sensor. Controleer de hoeken en herhaal stap 3.7 en 3.8 indien nodig.
- Draai de uitlijningsschroeven tot een hoek van 4 graden tussen de sensor en het monster (figuur 1d) krijgen. Zorg ervoor dat de top van de chip is het gedeelte dat contact maakt met het monster.
4. Metingen
- Laad de aftastkop (figuur 1a) een 4 K koelsysteem.
LET OP: Het scannen hoofd moet worden aangesloten op een koud bord, en wordt omgeven door een vacuüm kan. Draad een spoel rond het blik voor het aanbrengen van extern magnetisch veld (laag velden van verschillende Gauss volstaan voor deze studie). Bedek deze opstelling met een Mu-metalen schild. - Afkoelen in aanwezigheid van magnetic gebied, door toepassing van stroom door de spoel rond de microscoop. Kies de veldsterkte voorzichtig naar de gewenste vortex dichtheid te bereiken. Gebruik 1Φ 0 = 20,7 G / um 2 op de cooldown veld te berekenen. Bijvoorbeeld, voor 10 vortices in een 10 um 10 um gebied van toepassing 2,07 G.
- Voor het veranderen van een nieuwe vortex dichtheid warmte monster boven de supergeleidende transitie temperatuur (Nb, verhitten boven 10 K). Breng het nieuwe veld.
- Cool monster tot 4,2 K.
- Schakel magnetisch veld. Zet SQUID op.
- Verplaats het monster in de buurt van de squid met behulp van de stick slip grof bewegingssysteem.
- Toepassen toenemende spanningen op de Z plakken slip cube het monster dichter bij de squid chip bewegen.
- Solliciteer spanning tussen de cantilever en de plaat voor het lezen van de capaciteit met behulp van een capacitieve brug (0,1-1 V meestal).
- Vegen de spanning op de Z piezo element. Meet de capaciteit tussen de cantilever en de plate. Als een grote verandering in de capaciteit optreedt, het monster in contact is met de squid chip.
- Als het monster geen contact met de chip wist te maken, herhaalt u de stappen 4.6.1-4.6.3 totdat contact wordt waargenomen.
- Optioneel: Gebruik natuurlijk beweging om de afstand tussen de tip en het monster zo aanpassen dat contact optreedt bij lage spanningen (0 - 10 V toegepast op de Z piezo).
- Zodra er contact Herhaal stap 4.6.2-4.6.3 op verschillende locaties, om de kantelhoeken van het oppervlak te bepalen en op het vlak van het monster, ten opzichte van de sensor te bepalen.
- Vegen de spanning op de X- en Y piëzo elementen om het monster ten opzichte van de sensor beweegt. Scannen op een constante hoogte boven het monster, zonder contact tussen de tip en het monster, om in kaart vortex distributie. Het bereiken van een constante hoogte scan door het veranderen van de spanning op de Z piezo volgens de X- en Y-locaties en op het vlak bepaald in 4.6.
- Kies een vortex en scannen around is nauwkeurig de plaats van het midden te bepalen. Merk op dat de vortex locatie is ten opzichte van de Squid's pick-up lijn, niet aan het contactpunt.
- Zet SQUID uit.
- Toepassen van een spanning die groter is dan de touchdown spanning aan de z piëzo en ofwel tik naast het midden vortex of veeg de werveling door de sensor (in contact met het monster) slepen langzaam het monster op een gewenste locatie. De vortex zal blijven ijveren voor de kraan of in het vegen richting. Typische waarden toe te voegen aan de toegepaste z piëzo voltage zijn 2-5 V.
- Zet SQUID op.
- Beeld weer op een constante hoogte zonder contact met de nieuwe locatie van de vortex lokaliseren.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Ons protocol werd met succes getest op duizenden individuele, goed gescheiden draaikolken in twee monsters van Nb, en negen monsters van het NBN. Genereren we nieuwe wervels op hetzelfde monster door het monster boven Tc en koelen naar 4,2 K in aanwezigheid van een magnetisch veld. We kozen voor het extern magnetisch veld om de gewenste dichtheid te bereiken vortex. We tonen hier gegevens uit deze experimenten. Deze resultaten zijn in detail beschreven door Kremen et al. 11.
De hier beschreven protocol maakt regelbare manipulatie van wervels in verschillende configuraties (figuur 2). Single draaikolken werden verplaatst over afstanden tot 1 mm (figuur 3), en bleef stabiel op hun nieuwe locaties.
Figuur 1. Scanning PIJLINKTVIS systeem. (A) De scankop. (B) vergrote foto van het gebied omcirkeld in (a). (C) Sample-sensor voorkant hoek. De hoeken a en β tussen de chip en de reflectie van het monster moet aan beide zijden gelijk zijn. (D) Het gekozen uitlijning hoek tussen de sensor en het monster. De hoek tussen de chip en de reflectie tweemaal de gewenste hoek, die moet minstens 4 °. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 2. Manipulatie van vortices de letter B. (a) Eerste configuratie vormen na afkoeling van het monster in aanwezigheid van magnetic veld. (B) Een nieuwe configuratie na het verplaatsen van de wervels, in de vorm van de letter B. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Figuur 3. Een aantal manipulaties van een vortex, slepen over een afstand van 820 urn. Inzet: (a) Een enkele vortex. Het sleutelgat vorm is te wijten aan convolutie tussen het magnetische signaal en de sensor punt spreiding functie. (B) een scan in contact met de squid ingeschakeld. De initiële locatie van de vortex is links van het beeld. De piek van het signaal beweegt naar rechts met de vortex totdat de vortex wordt verplaatst aan de rechterkant en niet meer beweegt. (C) Een schets van een scan in contact. Depunt van de sensor is het eerste contact met het monster te maken, terwijl de draaikolklocatie ontvangen van de scan opzichte van de opneemlus, die ten opzichte van de tip. Klik hier om een grotere versie van deze figuur te bekijken.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Succesvolle manipulatie van wervels, hangt af van een aantal kritische stappen. Het is belangrijk dat de sensor uitgelijnd onder een hoek, zodanig dat de punt van de chip als eerste contact met het monster te zijn. Ten tweede is het belangrijk op te merken dat de kracht op het monster wordt bepaald door de mechanische eigenschappen van de cantilever de chip is gemonteerd. In het elastische regime, de uitgeoefende kracht is evenredig met de uitwijking x, volgens de wet van Hooke:
F = -kx
Waarbij k de veerconstante, bepaald door de elasticiteitsmodulus van het materiaal en de fysieke afmetingen, en wordt gegeven door
k = Et 3 w / 4L 3
Hier is E de elasticiteitsmodulus, t de dikte van de bundel, w de breedte en l de lengte. Voor een koperen cantilever, E = 117 GPa. De cantilever was 0,017 mm dik, 3 mm breed en 10,7 mm lang, waarbij k = 0,35 N / m geven. Wanneer de spanning in de Z piezo was 1 V below touchdown, de uitslag was 1,6 urn. Dit geeft een kracht van 0,56 μN. Het is belangrijk om de cantilever materiaal en afmetingen goed te kiezen, de gewenste werking te krijgen.
Het is ook belangrijk op te merken dat de locatie van de vortex als gescand door de squid is ten opzichte van de opneemlus, en dat het contactpunt wordt verplaatst van de opneemlus volgens de grootte van de chip en het polijsten. Deze verplaatsing wordt aangemerkt bij het kiezen van de plaats van de kraan gebeurtenis of het contact scan, om te verzekeren dat het uiteinde van de chip in contact bij de draaikolklocatie.
Als een vortex niet werd verplaatst na het scannen in contact, het toepassen van meer stress door het indrukken van de tip harder in de steekproef, het indrukken van de steekproef voor een langere periode of de punt te slepen langzamer over het monster kan helpen bij het overwinnen van de pinning kracht en ontwrichten de vortex.
Het monster niet geheugen van de manipulati tonenop; zagen we geen verandering in de diamagnetism van het monster, overeenkomend met de superfluïde dichtheid, en geen verandering in de topografie van het monster. Nieuwe configuraties vortex die na opwarmen of afkoelen in de aanwezigheid van magnetisch veld heeft geheugen vorige manipulaties ofwel 11 vertonen.
Onze methode wordt beperkt door de grootte van het contactpunt. De techniek heeft het potentieel voor fijnafstemming van de plaats van wervels, maar tot nu toe hebben we de mogelijkheden van het protocol voor vrij grote, gepolijste uiteinden van de chip aangetoond (vanaf 100 nm tot 1 pm). Karakterisering van de punt is nodig om de belasting gradiënten kennen.
Concluderend ons protocol maakt manipulatie van individuele wervels in supergeleidende dunne films bij lage temperaturen zonder verdere vervaardiging van het monster. Beheersen van de mogelijkheid om de locatie van wervels onder controle kan toepassingen in de vormgeving van zijnflux gebaseerde logische poorten, alsook in de studie van interacties van vortices met andere wervels, het rooster en andere magnetische deeltjes.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Wij danken A. Sharoni van Bar-Ilan University voor het verstrekken van de supergeleidende films. Dit onderzoek werd gesteund door de European Research Council Grant ERC-2014-STG- 639.792, Marie Curie Career Integration Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, en Israël 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).
