Introduction
Virvlar är magnetiska föremål på nanonivå, som bildats i typ 2-supraledare i närvaro av yttre magnetfält. I en defekt gratisprov, kan virvlar röra sig fritt. Men olika defekter i materialet resulterar i områden med reducerad supra som energiskt gynnsamma för virvlar. Virvlar tenderar att dekorera dessa regioner, även känd som pinning platser. I detta fall måste den kraft som krävs för att flytta en virvel vara större än den pinning kraften. Egenskaper hos virvlar, såsom virvel densitet, interaktion styrka och räckvidd, kan lätt bestämmas av externt fält, temperatur, eller geometri av provet. Förmågan att kontrollera dessa egenskaper gör dem till ett bra modellsystem för kondenserad materia beteende som lätt kan avstämmas, liksom lämpliga kandidater för elektroniska tillämpningar 1, 2. Kontroll av placeringen av enskilda virvlarna är av avgörande betydelse för utformningen av en sådan logiska element.
Mekanisk styrning av magnetiska nanopartiklar har uppnåtts tidigare. Kalisky et al. senast använda scanning supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) för att studera inverkan av lokal mekanisk stress på ferromagnetiska fläckar i komplexa oxid gränssnitt 3. De kunde ändra orienteringen av plåstret genom att skanna i kontakt, trycker på spetsen av SQUID in i provet, att anbringa en kraft på upp till 1 μN i processen. Vi har använt en liknande metod i våra protokoll för att flytta virvlar.
I existerande studier av virvel manipulation, var rörelse uppnås genom att applicera strömmen till provet, vilket skapar Lorentz kraft 4, 5, 6. Även om denna metod är effektiv, är det inte lokal, och i syfte att styra en enda virvel, är ytterligare tillverkning krävs. Virvlarna kan också vara manipulated genom att applicera yttre magnetfält, t ex med en magnetisk kraft mikroskop (MFM) eller med en SQUID fältspole 7, 8. Denna metod är effektiv och lokalt, men den kraft som appliceras av dessa verktyg är små, och kan övervinna pinning kraften endast vid höga temperaturer, som ligger nära den kritiska temperaturen för supraledaren. Vår protokoll möjliggör en effektiv, lokal hantering vid låga temperaturer (4 K) utan ytterligare tillverkning av provet.
Vi bild virvlar använder scanning SQUID mikroskopi. Sensorn är tillverkad på ett kiselchip som är polerad in i ett hörn, och limmas på en flexibel fribärande. Den cantilever används för kapacitiv avkänning av ytan. Chipet placeras i vinkel mot provet, så att kontaktpunkten är vid spetsen av chipet. Vi tillämpar krafter på upp till 2 μN genom att trycka på chip in i provet. Vi flyttar provet i förhållande till SQUID av piezo element. Vi flyttarvirveln genom att trycka på kisel spets bredvid en virvel, eller genom att svepa den, röra virveln.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
1. Tillgång till en Scanning SQUID System
- Använda ett svep SQUID-system som inkluderar en SQUID sensor som är monterad på ett chip 9, 10, pinne slip grovrörelsesteget, och en piezo-baserad scanner för fina rörelse. Se figur 1.
- Polera SQUID chip i ett hörn runt pickup slinga. Materialet av chipet behöver tas bort hela vägen till den pickup slingan.
- polera försiktigt SQUID, med hjälp av en 5 till 0,5 pm omagnetiska polering papper.
OBS: Efter poleringssteget pickup slinga kan bringas i omedelbar närhet eller kontakt, med provet.
- polera försiktigt SQUID, med hjälp av en 5 till 0,5 pm omagnetiska polering papper.
2. Deponering av niob (Nb) Thin Film med likström (DC) Sputtring
- Skaffa ett substrat. I detta arbete använder en bor-dopade kiselsubstratet med 500 nm av kiseloxid. Andra substrat såsom SrTiOs och MgO är möjliga.
- Nå en bas pressure av 10 -7 Torr i kammaren. Pre-sputter förångningskammaren vid rumstemperatur med en 99,95% Nb mål, i en argon miljö vid ett tryck av 2,4 mTorr med en avsättningshastighet av 1,8 Å / s för 10 min. Notera att avsättningsprocessen kan starta först när basen trycket i kammaren är lägre än 10 -7 Torr. Om trycket är högre upprepning pre-sputtring skede.
- Placera substratet i kammaren.
- Insättning Nb tunn film genom förstoftning vid rumstemperatur från en 99,95% Nb mål, i en argon miljö vid tryck av 2,4 mTorr med en avsättningshastighet av 1,8 Å / s.
3. Prov-tip Alignment
- I detta skede, rikta sensorchipet med provet så att spetsen av chipet kommer i kontakt med provet vid förflyttning virvlarna. För att uppnå detta använder en inriktningsvinkel av minst 4 °.
- Limma en flexibel fribärande på en ledande platta med ett dielektriskt skikt. Sedan limma SQUID chip på fribärande. Kapacitansen mellan konsolen och en statisk platta bestämmer kontakt med provet och omfattningen av spännings tillämpas.
- Belastningsprov på mikroskopet. Limma provet till en utsedd prov montera med användning av ett lack eller silverpasta. Limma fästet till Z piezoelementet (Figur 1a).
- Anslut stick slip grov rörelsesystem till en styrenhet.
- Inrätta optisk avbildning från två vinklar - fronten och sidan av chipet. Använd två teleskop placerade på scener översättnings riktade mot framsidan av chipet och en av dess sidor.
- Använda Z stick slip grov rörelse skede flytta provet till ett avstånd av 1 pm från sensorn, så att sensorns reflektion är synlig på provet.
OBS: Kontakt mellan provet och sensorn i detta skede kan skada SQUID. - Flytta provet 0,5 - 1 mm från sensorn med hjälp av Z stick slip grov rörelse skede för att förhindra skador på SPUND.
- Rotera justeringsskruvarna (Figur 1a) för att få lika stora frontvinklar (dvs vinklar sidorna av chipsets spetsen gör med dess reflektion, såsom framgår av fig 1c).
- Flytta provet till ett avstånd av 1 | j, m från sensorn. Kontrollera vinklarna och upprepa steg 3,7 och 3,8 vid behov.
- Rotera justeringsskruvarna för att få en vinkel på 4 grader mellan sensorn och provet (figur 1d). Se till att spetsen på chip är den del som kommer i kontakt med provet.
4. Mätningar
- Ladda avsökningshuvudet (Figur 1a) till en 4 K kylsystem.
OBS: Scanning huvudet bör vara ansluten till en kall platta, och omgiven av en vakuum burk. WIRE en spole runt burken för att applicera yttre magnetfält (låga fält av flera Gauss är tillräckliga för denna studie). Täck denna inställning med en Mu-metallhöljet. - Kyl i närvaro av magnetic fält, genom att applicera strömmen genom spolen som omger mikroskop. Välj fältstyrkan noga för att uppnå den önskade virvel densitet. Använd 1Φ 0 = 20,7 g / um 2 för att beräkna nedkylningsområdet. Till exempel, för 10 virvlar i en 10 ^ m med 10 | j, m området, tillämpas 2,07 G.
- För att byta till en ny virvel densitet värme prov över supraledande övergångstemperaturen (för Nb, värme över 10 K). Tillämpa det nya området.
- Cool prov till 4,2 K.
- Vända magnetfält av. Slå SQUID på.
- Flytta provet nära SQUID hjälp av stick slip grov rörelsesystem.
- Applicera ökande spänningar på Z-stick slip kub för att flytta provet närmare SQUID chip.
- Slå på spänningen mellan konsolen och plattan för att läsa kapacitansen med hjälp av en kapacitans bro (0,1-1 V typiskt).
- Sopa spänningen på Z piezoelementet. Mät kapacitansen mellan konsolen och plate. Om en stor förändring i kapacitansen inträffar är provet i kontakt med SQUID chip.
- Om provet inte komma i kontakt med chip, upprepa steg 4.6.1-4.6.3 tills kontakt observeras.
- Valfritt: Använd kursrörelse för att justera avståndet mellan spetsen och provet så att kontakten sker vid låga spänningar (0 - 10 V appliceras på Z piezo).
- När det finns kontakt, upprepa steg 4.6.2-4.6.3 på flera platser för att fastställa lutningsvinklarna för ytan och för att definiera det plan för provet, i förhållande till sensorn.
- Sopa spänningen på X och Y piezo element för att förflytta provet i förhållande till sensorn. Skanna på en konstant höjd över provet, utan kontakt mellan spetsen och provet, för att kartvirvelfördelning. Uppnå en konstant avsöknings höjd genom att ändra spänningen på Z-piezo enligt de X- och Y-platser, och till det plan som definieras i 4,6.
- Välj en virvel och skanna Around det att exakt bestämma läget för dess centrum. Observera att virvel platsen är i förhållande till SQUID s pickup slinga, inte kontaktpunkten.
- Stäng SQUID av.
- Applicera en spänning som är större än den touchdown spänning till z piezo och antingen kranen intill virveln centrum eller sopa virveln genom att dra sensorn (i kontakt med provet) långsamt på provet till en önskad plats. Virveln kommer att röra sig i riktning mot kranen eller i den svepande riktning. Typiska värden för att lägga till den pålagda z piezo spänning är 2-5 V.
- Slå SQUID på.
- Bilden igen på en konstant höjd utan kontakt för att lokalisera den nya platsen av virveln.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Vår protokoll testades framgångsrikt på tusentals enskilda, väl åtskilda virvlar i två prover av Nb, och nio prover NBN. Vi generera nya virvlar på samma prov genom upphettning av provet ovan Tc, och kyla den tillbaka till 4,2 K i närvaro av ett magnetfält. Vi valde det yttre magnetfältet för att uppnå den önskade virvel densitet. Vi visar här data från dessa experiment. Dessa resultat har beskrivits i detalj av Kremen et al. 11.
Protokollet som beskrivs här möjliggör kontrollerbar manipulering av virvlar i olika konfigurationer (Figur 2). Enstaka virvlar flyttades över avstånd upp till 1 mm (figur 3), och låg kvar på sina nya platser.
Figur 1. Scanning SQUID-system. (A) Den avsökningshuvud. (B) Förstorad bild av området inringat i (a). (C) Prov-sensor fram vinkel. Vinklarna a och β mellan chipet och dess reflektion från provet ska vara lika på båda sidor. (D) Den valda inriktningsvinkeln mellan sensorn och provet. Vinkeln mellan chipet och reflektionen är dubbelt den önskade vinkeln, som bör vara minst 4 °. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2. Manipulering av virvlar att bilda bokstaven B. (a) Inledande konfiguration efter kylning av provet i närvaro av magnetic fält. (B) En ny konfiguration efter att ha flyttat virvlarna, i form av bokstaven B. klicka god här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3. Flera manipulationer av en enda virvel, dra den över en sträcka på 820 nm. Infällt: (a) En enda virvel. Nyckelhålet formen beror på faltning mellan den magnetiska signalen och givarens punktspridningsfunktion. (B) En avsökning i kontakt med SQUID påslagen. Den initiala placeringen av virveln är till vänster i bilden. Toppen av signalen rör sig åt höger med virveln, tills virvel flyttas vid den högra änden och inte längre rör sig. (C) En skiss av en skanning i kontakt. Desensorns spets är den första att komma i kontakt med provet, medan virvel läge fick från genomsökningen är relativt pickup slingan, som är förskjuten från spetsen. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Framgångsrik hantering av virvlar beror på flera viktiga steg. Det är viktigt att rikta in sensorn i en vinkel, så att spetsen av chipet kommer att vara den första att komma i kontakt med provet. För det andra är det viktigt att notera att den kraft som utövas på provet bestäms genom de mekaniska egenskaperna hos den fribärande att chipet är monterat på. I det elastiska regimen, är den kraft som anbringas proportionell mot avböjningen, x, enligt Hookes lag:
F = -kx
Där k är fjäderkonstanten, som bestäms av elasticitetsmodulen hos materialet, och dess fysiska dimensioner, och ges av
k = Et 3 w / 4L 3
Här är E Youngs modul, t är tjockleken av strålen, w är bredden och L är längden. För en koppar fribärande, E = 117 GPa. Vår fribärande var 0,017 mm tjock, 3 mm bred och 10,7 mm lång, vilket ger k = 0,35 N / m. När spänningen i Z piezo var en V below sättningen böjningen var 1,6 um. Detta ger en kraft av 0,56 μN. Det är viktigt att välja den fribärande material och dimensioner på rätt sätt, för att få den önskade kraften.
Det är också viktigt att notera att placeringen av virveln som avsöks av SQUID är relativt pickup slingan, och att kontaktpunkten förskjuts från pickup slinga i enlighet med storleken hos chipset och poleringen. Denna förskjutning är att beaktas när man väljer placeringen av öppningshändelsen, eller kontakt scan, för att tillförsäkra att spetsen av chipet kommer i kontakt i närheten av virvel plats.
Om en virvel inte ersattes efter skanning i kontakt med tillämpning mer stress genom att trycka spetsen hårdare i provet, trycker på provet under en längre period eller dra spetsen mer långsamt över provet kan bidra till att lösa den sätter kraft och flytta ut virveln.
Provet visade inte minnet av manipulatipå; Vi observerade ingen förändring i diamagnetism av provet, som motsvarar den supra densitet, liksom ingen förändring av topografin av provet. Nya virvelkonfigurationer som skapats efter uppvärmningen och kylning i närvaro av magnetfältet visade inte minnet av tidigare manipulationer antingen 11.
Vår metod är begränsad av storleken av kontaktpunkten. Tekniken har potential för finjustering av placeringen av virvlar, men vi har hittills visat på förmåga protokollet för ganska stora, polerade tips av chipet (från 100 nm upp till 1 pm). behövs karakterisering av spetsen i syfte att känna till stammen gradienter.
Sammanfattningsvis tillåter våra protokoll för manipulering av enskilda virvlar i supraledande tunna filmer vid låga temperaturer och utan ytterligare tillverkning av provet. Maste förmågan att kontrollera placeringen av virvlarna kan ha tillämpningar i utformningen avflux baserade logiska grindar, liksom i studiet av interaktioner mellan virvlar med andra virvlar, gallret och andra magnetiska partiklar.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Acknowledgments
Vi tackar A. Sharoni från Bar-Ilan University för att ge de supraledande filmerna. Denna forskning stöds av Europeiska forskningsrådet Grant ERC-2014-STG- 639.792, Marie Curie karriär Integration Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333.799, och 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).
