סריקת לימוד SQUID של מניפולציה וורטקס ידי לתקשר מקומי

Introduction

מערבולות הם חפצים מגנטיים ב הננומטרי, נוצרו מוליכי סוג 2 בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. במדגם פגם חינם, מערבולות יכולות לנוע בחופשיות. עם זאת, פגמים שונים תוצאת החומר באזורים של מוליכות שהופחתו הם נוחים נמרצות מערבולות. מערבולות נוטים לקשט אזורים אלה, הידוע גם בשם באתרי מצמיד. במקרה זה, את הכוח הדרוש כדי להזיז מערבולת חייב להיות גדול יותר מהכוח מצמיד. מאפיינים של מערבולות, כגון צפיפות מערבולת, כוח האינטראקציה וטווח, ניתן לקבוע בקלות על ידי שדה חיצוני, טמפרטורה, או גיאומטריה של המדגם. היכולת לשלוט נכסים אלה גורמת להם מערכת מודל טובה התנהגות חומר מעובית כי יכול להיות מכוונת בקלות, כמו גם מועמדים מתאימים ליישומים אלקטרוניים ^{1, 2.} שליטה על המיקום של מערבולות בודדות חיונית לעיצוב של lo כזהאלמנטים gical.

שליטה מכנית של חלקיקים מגנטיים הושגה לפני. קליסקי et al. לאחרונה השתמש במכשיר פרעות קוונטים מוליכים סריקה (SQUID) ללמוד את שפעת לחץ מכאני מקומי על תיקוני פרומגנטי בממשקי תחמוצת מורכבים ^3. הם הצליחו לשנות את הכיוון של התיקון על-ידי סריקה במגע, לחיצה על קצה SQUID לתוך המדגם, הפעלת כוח של עד 1 μN בתהליך. השתמשנו בשיטה דומה בפרוטוקול שלנו כדי להעביר מערבולות.

במחקרים הקיימים של מניפולציה מערבולת, תנועה הושגה על ידי החלת הנוכחי המדגם, ובכך ליצור לורנץ כוח ^{4, 5, 6.} אמנם שיטה זו היא יעילה, היא אינה מקומית, ועל מנת לשלוט מערבולת אחת, נדרש ייצור נוסף. מערבולות יכולות גם להיות manipulated ידי החלת שדה מגנטי חיצוני, למשל באמצעות מיקרוסקופ כוח מגנטי (MFM) או עם סליל שדה SQUID ^{7, 8.} שיטה זו יעילה ומקומית, אבל הכח ליישם ידי הכלים הללו הוא קטן, ויכול לגבור על הכח המצמיד רק בטמפרטורות גבוהות, קרוב הטמפרטורה הקריטית של המוליך. הפרוטוקול שלנו מאפשר מניפולציה יעילה, מקומית בטמפרטורות נמוכות (4 K) ללא ייצור נוסף של המדגם.

אנחנו מערבולות תמונה באמצעות מיקרוסקופיה SQUID הסריקה. החיישן הוא מפוברק על שבב סיליקון אשר הוא מלוטש לפינה, ומודבק על שלוחה גמישה. השלוחה משמשת חישת קיבולים של פני השטח. השבב מושם בזווית המדגם, כך שנקודת הקשר נמצאה בקצה של השבב. אנחנו מיישמים כוחות של עד 2 μN על ידי לחיצה על השבב לתוך המדגם. אנחנו מעבירים את יחסי מדגם קלמארי על ידי אלמנטים piezo. אנחנו זזיםהמערבולת על ידי קשה על קצה סיליקון ליד מערבולת, או על ידי גורף זה, נגיעת המערבולת.

Protocol

גישה 1. על מערכת SQUID סריקה

1. השתמש במערכת SQUID סריקה הכוללת חיישן SQUID מפוברק על שבב ^{9, 10,} הבמה בתנועה גסה להחליק מקל, סורק פייזו מבוסס תנועה בסדר. ראה איור 1.
2. לפולנית שבב SQUID לפינה סביב לולאת הטנדר. החומר של השבב צריך להיות מוסר כל הדרך אל לולאת הטנדר.
   1. בעדינות לצחצח קלמארי, באמצעות נייר ליטוש 5 כדי 0.5 מיקרומטר לא מגנטי.
      הערה: לאחר שלב ליטוש לולאת הטנדר אפשר להביא לתוך בסמיכות, או מגע, עם המדגם.

הפקדת 2. של ניוביום (NB) סרט דק עם זרם ישר (DC) מקרטע

1. השג מצע. בעבודה זו, להשתמש מצע סיליקון מסומם-בורון עם 500 ננומטר של תחמוצת סיליקון. מצעים אחרים כגון SrTiO ו MgO אפשריים.
2. להגיע pressu בסיסמחדש של 10 ^-7 Torr בתא. טרום גמגום תא האידוי בטמפרטורת החדר עם מטרה 99.95% NB, בסביבה ארגון בלחץ של 2.4 mTorr עם שיעור בתצהיר של 1.8 A / S למשך 10 דקות. ראוי לציין, כי תהליך ההדחה יכול להתחיל רק כאשר לחץ הבסיס בתא הוא פחות מ 10 ^-7 Torr. אם לחץ הוא חוזר גבוה בשלב קדם-המקרטע.
3. מניח מצע בתא.
4. סרט דק פיקדון Nb ידי המקרטעת בטמפרטורת החדר מתוך מטרה 99.95% NB, בסביבה ארגון בלחץ של 2.4 mTorr עם שיעור בתצהיר של 1.8 A / S.

יישור לדוגמא-טיפ 3.

1. בשלב זה, ליישר את שבב החיישן עם המדגם כך הקצה של השבב יוצר קשר עם המדגם בעת מעבר המערבולות. כדי להשיג זאת, השתמש בזווית יישור של 4 מעלות לפחות.
2. מדביקי שלוחה גמישה על צלחת ניצוח בשכבת דיאלקטרי. לאחר מכן, מדביקים את SQUID צ'יp על השלוחה. את הקיבול בין שלוחה וצלחת סטטי קובע את הקשר עם המדגם ואת מידת הלחץ מיושם.
3. טען מדגם על המיקרוסקופ. מדביק את המדגם כדי מדגם מיועד הר באמצעות משחה לכה או כסף. מדביקים את הר לאלמנט פייזו Z (איור 1 א).
4. חבר את מערכת התנועה גסה התלושה המקל לבקר.
5. הגדרת הדמיה אופטית משתי זוויות - החזית והצד של השבב. השתמש בשני טלסקופי דגש על שלבי תרגום, מופנים אל מול השבב ואחד הצדדים שלה.
6. שימוש בשלב התנועה גסת מקל תלוש Z, להזיז את המדגם עד למרחק של 1 מיקרומטר מהחיישן, כך ההשתקפות של החיישן גלויה על המדגם.
   הערה: פנה בין המדגם לבין החיישן בשלב זה עלול להזיק קלמארי.
7. הזז את המדגם 0.5 - 1 מ"מ הרחק חיישן באמצעות הבמה בתנועה גסה להחליק מקל Z כדי למנוע נזק Sלִירָה.
8. סובב את ברגי יישור (איור 1 א) כדי לקבל זוויות מול שווות (כלומר, זוויות הצדדים של הקצה של השבב לעשות עם ההשתקפות שלה, כפי שניתן לראות איור 1 ג ').
9. הזז את המדגם עד למרחק של 1 מיקרומטר מהחיישן. בדוק את זוויות וחזור על שלב 3.7 ו -3.8 במידת הצורך.
10. סובב את הברגים יישור לקבל זווית של 4 מעלות בין החיישן לבין (1D איור) מדגם. ודא קצה של השבב הוא החלק אשר יוצר קשר עם המדגם.

4. מדידות

1. טענתי את ראש הסריקה (איור 1 א) על מערכת קירור 4 K.
   הערה: ראש סריקה צריך להיות מחובר צלחת קרה, ומוקף פחית ואקום. מברק סליל סביב הפחית להחלת שדה מגנטי חיצוני (שדות נמוכים של כמה גאוס מספיקים לצורך מחקר זה). מכסי התקנה זו עם מגן Mu-מתכת.
2. מגניב בנוכחות Magneשדה טיק, על ידי יישום זרם חשמלי דרך סליל המקיף את המיקרוסקופ. בחר את עוצמת השדה בזהירות כדי להשיג את צפיפות המערבולת הרצויה. השתמש 1Φ ₀ = 20.7 G / מיקרומטר ² כדי לחשב את השדה cooldown. לדוגמה, במשך 10 מערבולות באזור 10 מיקרומטר ב -10 מיקרומטר, להחיל 2.07 ג '
3. על מנת לשנות כדי מדגם חום צפיפות מערבולת חדש מעל טמפרטורת מוליכי המעבר (עבור NB, חום מעל 10 K). החל את התחום החדש.
4. מדגם מצנן 4.2 ק
5. הפעל שדה מגנטי לסירוגין. הפעל SQUID.
6. הזז את המדגם קרוב קלמארי באמצעות מערכת התנועה גסה התלושה המקל.
   1. החל מתח הולך וגובר על קוביית תלוש Z-מקל להעביר את המדגם קרוב שבב SQUID.
   2. החל מתח בין השלוחה ואת הצלחת לקריאת הקיבול באמצעות גשר קיבול (0.1-1 V בדרך כלל).
   3. לטאטא את המתח על אלמנט פייזו Z. מדוד את הקיבול בין השלוחה ואת platדואר. אם שינוי גדול הקיבול מתרחש, המדגם נמצא בקשר עם שבב SQUID.
   4. אם המדגם לא יצר קשר עם השבב, חזור על שלבים 4.6.1-4.6.3 עד המגע הוא ציין.
   5. אופציונלי: השתמש כמובן תנועה להתאים את המרווח בין עצה לבין המדגם כך קשר מתרחשת במתח נמוך (0 - 10 V מוחל על פייזו Z).
   6. ברגע שיש קשר, חזור על שלבים 4.6.2-4.6.3 בכמה מקומות כדי לקבוע את זוויות הטיה של פני השטח כדי להגדיר את המטוס של המדגם, ביחס לחיישן.
7. לטאטא את המתח על אלמנטים piezo X ו- Y על מנת להזיז את יחסי מדגם לחיישן. סרוק בגובה קבוע מעל המדגם, ללא קשר בין העצה לבין המדגם, על מנת למפות הפצת מערבולת. להשיג לגובה סריקה מתמיד על ידי שינוי המתח על פייזו Z פי מיקומי X ו- Y, ו למישור המוגדר 4.6.
8. בחר מערבולת ולסרוק around לו לקבוע את המיקום של ובמרכזו בדיוק. שימו לב מיקום המערבולת הוא ביחס לולאת הטנדר של SQUID, לא עד כדי המגע.
9. בטל SQUID.
10. החלת מתח כי הוא גדול יותר מאשר מתח הנחיתה אל פייזו z ואו ברז בסמוך למרכז המערבולת או לטאטא את המערבולת ידי גרירת החיישן (במגע עם המדגם) לאט על המדגם למיקום רצוי. המערבולת תעבור לעבר ברז או בכיוון הגורף. ערכים טיפוסיים להוסיף למתח פייזו z שהוחל 2-5 V.
11. הפעל SQUID.
12. תמונה שוב בגובה קבוע ללא קשר לאתר את המיקום החדש של המערבולת.

Representative Results

הפרוטוקול שלנו נוסה בהצלחה על אלף מערבולות מופרדות בודדות, גם בשתי דגימות של NB, ותשע דגימות של NBN. אנו ליצור מערבולות חדשות על אותו המדגם על ידי חימום המדגם מעל Tc, והקירור אותו בחזרה ל -4.2 K בנוכחות שדה מגנטי. בחרנו את השדה המגנטי החיצוני כדי להשיג את צפיפות המערבולת הרצויה. ונביא כאן נתונים מניסויים אלה. תוצאות אלו תוארו בפרוטרוט על ידי קרמן et al. ^11.

הפרוטוקול המתואר כאן מאפשר מניפולציה לשליטה של מערבולות לתוך תצורות שונות (איור 2). מערבולות יחידות הועברו על פני מרחקים של עד 1 מ"מ (איור 3), ונשארו יציבים במקומות החדשים שלהם.

מערכת איור 1. סריקה SQUID. (א) ראש הסריקה. (ב) תמונה מוגדלת של האזור בעיגול (א). (ג) זווית מול לדוגמא-חיישן. זוויות אלפא ו β בין השבב והשתקפותו מן המדגם צריך להיות שווה בשני הצדדים. (ד) זווית יישור נבחר בין החיישן לבין המדגם. הזווית בין השבב לבין ההשתקפות היא פעמים לזווית הרצויה, שאמורה להיות לפחות 4 °. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

מניפולצית איור 2. של מערבולות כדי ליצור את המכתב ב (א) והגדרה ראשונית לאחר הקירור המדגם בנוכחות Magneשדה טיק. (ב) תצורה חדשה לאחר העברת המערבולות, בצורה של B. המכתב אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

איור 3. מניפולציות כמה מערבולת אחת, גרירתו על פני מרחק של 820 מיקרומטר. הבלעה: (א) מערבולת אחת. צורת חור המנעול נובעת פיתול בין האות המגנטי והפונקציה להפיץ את הצבע של החיישן. (ב) סריקה במגע עם קלמארי מופעלת. המיקום הראשוני של המערבולת הוא בצד שמאל של התמונה. השיא של האות עובר ימין עם המערבולת, עד המערבולת מועתקת בקצה הימני ולא מהלך יותר. (ג) סקיצה של סריקה במגע. הקצה החיישן הוא הראשון ליצור קשר עם המדגם, ואילו מיקום המערבולת שהתקבל הסריקה ביחס לולאת הטנדר, מקוזז מהקצה. אנא לחץ כאן כדי לצפות בגרסה גדולה יותר של דמות זו.

Discussion

מניפולציה מוצלחת של מערבולות תלויות כמה שלבים קריטיים. חשוב כדי ליישר את החיישן בזווית, כך הקצה של השבב יהיה הראשון ליצור קשר עם המדגם. שנית, חשוב לציין כי הכח המופעל על המדגם נקבע על ידי התכונות המכאניות של השלוחה כי השבב הוא רכוב על. במשטר אלסטי, הכוח ליישם פרופורציונלי סטיה, x, על פי חוק הוק:
F = -kx

כאשר k הוא קבוע הקפיץ, נקבע על ידי מודול יאנג של החומר, ואת הממדים הפיזיים שלו, והוא נתון על ידי
k = Et ³ w / 4L ³

הנה, E הוא מודול יאנג, t הוא עובי הקורה, W הוא רוחב ו L הוא אורך. עבור שלוחה נחושת, E = 117 GPA. השלוחה שלנו הייתה דחוס 0.017 מ"מ, 3 מ"מ רחב 10.7 מ"מ אורך, אשר נותן k = 0.35 N / m. כאשר המתח של piezo Z היה 1 V בלוw נחיתה, הסטייה הייתה 1.6 מיקרומטר. זה נותן כוח של 0.56 μN. חשוב לבחור את החומר שלוחה ומימדים כראוי, כדי לקבל את הכוח הרצוי.

כמו כן, חשוב לציין כי מיקומו של המערבולת כפי שנסרק על ידי קלמארי הוא ביחס לולאת הטנדר, וכי נקודת המגע הוא עקורה מן לולאת הטנדר בהתאם לגודל של השבב ואת הליטוש. עקירה זו אמורה לחול בעת בחירת המיקום של אירוע ברז, או סריקת הקשר, על מנת להבטיח כי קצה השבב יוצר קשר ליד מיקום המערבולת.

אם מערבולת לא נעקרה לאחר הסריקה במגע, החלת מתח יותר על ידי לחיצה על הקצה קשה לתוך המדגם, הלחיצה על המדגם לתקופה ארוכה או גרירת הקצה לאט יותר על פני המדגם עשוי לעזור להתגבר על הכח המצמיד לנקוע המערבולת.

המדגם לא הראה זיכרון של manipulatiעַל; צפינו כל שינוי דיאמגנטיות של המדגם, התואם את הצפיפות הנוזלת, כמו גם כל שינוי הטופוגרפיה של המדגם. תצורות מערבולת חדשות נוצרו לאחר מחמם שוב והקירור בנוכחות שדה מגנטי לא הראה זיכרון של מניפולציות קודמות לא ^11.

השיטה שלנו מוגבלת על ידי הגודל של נקודת המגע. הטכניקה יש פוטנציאל כוונון עדין את המיקום של מערבולות, אולם עד כה אנו הדגמנו את היכולות של הפרוטוקול גדול למדי, טיפים מלוטשים של השבב (מ 100 ננומטר עד 1 מיקרומטר). אפיון של הקצה נחוץ כדי לדעת הדרגתיים הזן.

לסיכום, הפרוטוקול שלנו מאפשר מניפולציה של מערבולות בודדות מוליכי סרטים דקים בטמפרטורות נמוכות וללא ייצור נוסף של המדגם. מאסטרינג את היכולת לשלוט במיקום של מערבולות ייתכן יישומים בעיצובשטף שערים לוגיים מבוססים, כמו גם בחקר האינטראקציות של מערבולות עם מערבולות אחרות, הסריג, וחלקיקים מגנטיים אחרים.

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