Yöntem makalesi

Yerel İletişim tarafından Vortex Manipülasyon KALAMAR Çalışması taranması

6.7K görüntüleme

⸱

DOI:

10.3791/54986

⸱

1 Şubat 2017

 ,  ,  ,  , 
1Department of Physics and Institute of Nanotechnology and Advanced Materials, Bar-Ilan University

Bu makalede

Özet

İnce süper iletken filmlerdeki bireysel girdapların yerel mekanik temas kullanarak manipülasyonu için bir protokol sunuyoruz. Yöntem, akım, manyetik alan veya ek üretim adımlarının uygulanmasını içermez.

Özet

Tip 2 süperiletkenlerdeki bireysel girdapların yerel, deterministik manipülasyonu zordur. Girdapların birbirleriyle, kafesle ve diğer manyetik nesnelerle nasıl etkileşime girdiğini incelemek için tek tek girdapların konumunu kontrol etme yeteneği gereklidir. Burada, akım veya manyetik alan uygulamadan yerel temas ile ince süper iletken filmlerde girdap manipülasyonu için bir protokol sunuyoruz. Girdaplar, bir taramalı süper iletken kuantum girişim cihazı (SQUID) kullanılarak görüntülenir ve bir piezoelektrik eleman kullanılarak bir silikon çipin ucunu numuneye iterek numuneye dikey stres uygulanır. Girdaplar, numuneye dokunarak veya silikon uçla süpürülerek hareket ettirilir. Yöntemimiz, filme zarar vermeden veya topografyasını etkilemeden bireysel girdapların etkili bir şekilde manipüle edilmesine izin verir. Girdapların 0,8 mm'ye kadar olan mesafelere nasıl taşındığını gösteriyoruz. Girdaplar yeni yerlerinde beş güne kadar sabit kaldı. Bu yöntemle girdapları kontrol edebilir ve onları karmaşık konfigürasyonlar oluşturmak için hareket ettirebiliriz. Vorteks manipülasyonu için bu teknik, girdap tabanlı mantık cihazları gibi uygulamalarda da uygulanabilir.

Giriş

Girdaplar dış manyetik alanın varlığında tip 2 Süperiletkenlerde oluşan nano manyetik nesneler vardır. Bir kusur ücretsiz örneğinde, girdaplar serbestçe hareket edebilir. Ancak, girdapların için enerjik elverişli azaltılmış süperiletkenlik bölgelerinde maddi sonuç farklı kusurlar. Girdaplar bu bölgeleri, aynı zamanda çivileme siteleri olarak bilinen dekore eğilimindedir. Bu durumda, bir girdap hareket ettirmek için gerekli olan kuvvet sabitleme kuvvetinden daha büyük olması gerekmektedir. Bu girdap yoğunluğu, etkileşim gücü ve aralık gibi girdapların, özellikleri, kolayca dış alanı, sıcaklık, ya da numune geometrisi ile belirlenebilir. Bu özellikleri kontrol etme yeteneği, onları, elektronik uygulamaları 1, 2, kolayca ayarlanabilir yoğun madde davranışı, hem de müsait adaylar için iyi bir model sistemi sağlar. Bireysel vortices yerini kontrolü, lo tasarımı için gerekli olanrahi elemanları.

Manyetik nanopartiküller mekanik kontrolü daha önce elde edilmişti. Kalisky ve diğ. Son zamanlarda kompleks oksit arayüzleri 3 ferromanyetik yamalar yerel mekanik stres etkisini incelemek için tarama süperiletken kuantum girişim cihazı (SQUID) kullanılır. Onlar süreçte kadar 1 μN bir güç uygulayarak, numunenin içine SQUID ucu basarak temas tarayarak yama yönünü değiştirmek için başardık. Biz girdapları taşımak için bizim protokolde benzer bir yöntem kullandık.

Girdap manipülasyon Mevcut çalışmalarda, hareket ve böylece Lorentz kuvveti 4, 5, 6 oluşturma, numune akımı uygulanarak elde edildi. bu yöntem etkili olsa da, yerel değildir ve tek bir girdap kontrol etmek amacıyla, ek bir üretim gereklidir. Girdaplar da Manip olabilirmanyetik kuvvet mikroskopu (MFM) veya kalamar alan sargısı 7, 8, örneğin, harici bir manyetik alan uygulayarak ile düzenlenmiştir. Bu yöntem etkili ve yerel, ama bu araçlar tarafından uygulanan kuvvet küçük ve sadece süperiletken kritik sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıklarda çivileme kuvvetini üstesinden gelebilir. Bizim protokol örneğinin ek imalat olmaksızın düşük sıcaklıklarda (4 K) etkili, yerel müdahale etmenizi sağlar.

Biz tarama KALAMAR mikroskopi kullanılarak görüntü girdapları. Sensör bir köşeye cilalı ve esnek bir konsol üzerinde yapıştırılmış bir silikon çip üzerinde imal edilir. Konsol yüzeyinin kapasitif algılama için kullanılır. temas noktası çip ucunda, böylece çip, örnek bir açı ile yerleştirilir. Bu numune içine çip iterek kadar 2 μN kuvvetleri uygulanır. Biz piezo elemanları tarafından SQUID örnek göreli hareket ettirin. Biz hareketBir girdaba yanında, ya da onu süpürme girdap dokunarak silikon ucu dokunarak girdap.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

Bir Tarama KALAMAR Sistemine 1. Erişim

  1. Bir çip 9, 10, sopa kayma kaba hareket aşamasında ve ince hareket için bir piezo-tabanlı tarayıcı üzerinde fabrikasyon bir KALAMAR sensörü içeren bir tarama KALAMAR sistemi kullanın. Bkz: Şekil 1.
  2. pikap döngü etrafında bir köşeye KALAMAR çipi parlatın. çip malzemesi tüm yol alma döngü kaldırılması gerekiyor.
    1. Yavaşça 5 mikron 0.5 manyetik olmayan parlatma kağıt kullanarak, SQUID lehçe.
      NOT: parlatma aşamadan sonra pikap döngü örneği ile, yakın, ya da temas getirilebilir.

Doğru Akım (DC) püskürtme ile Niyobyum (Nb) İnce Film 2. Biriktirme

  1. Bir alt-tabakanın elde edilir. Bu çalışma, silikon oksit, 500 nm olan bir bor içerikli silikon bir alt-tabakanın kullanımı. Böyle SrTiO ve MgO gibi diğer alt tabakalar mümkündür.
  2. Bir baz pressu ulaşmakodasında 10 -7 Torr yeniden. Ön sputter 10 dakika için 1.8 a / s bir depozisyon oranı 2.4 mTorr basıncında bir argon ortamında% 99,95 Nb hedefi, oda sıcaklığında buharlaştırma odasını. Odasındaki taban basıncı az 10 -7 Torr olduğunda bırakma işlemi sadece başlayabilirsiniz unutmayın. Basınç öncesi püskürtme aşaması yüksek yineleyin ise.
  3. odasında yerleştirilmesidir.
  4. 1.8 a / s 'lik bir yerleştirme oranı 2.4 mTorr basıncında argon ortamında,% 99.95 Nb hedeften oda sıcaklığında püskürtülerek Deposit Nb ince film.

3. Numune ucu Hizalama

  1. girdapları taşırken çip ucu örneği ile temas edinceye kadar bu aşamada, numune ile sensör çipi aynı hizaya getirin. Bunu elde etmek için, en az 4 ° 'lik bir hizalama açı kullanılır.
  2. bir dielektrik tabaka, bir iletken plaka üzerinde, esnek bir konsol Tutkal. Ardından, KALAMAR chi tutkalkonsol üzerinde s. konsol ve statik plakası arasındaki kapasitans numune ve uygulanan stres ölçüde temas belirler.
  3. mikroskop yük örneği. belirlenmiş bir örnek örnek Tutkal bir cila veya gümüş macun kullanarak monte edin. Z piezo elemanı (Şekil 1a) için montaj Tutkal.
  4. Bir kontrolöre sopa kayma kaba hareket sistemini bağlayın.
  5. ön ve çip yan - iki açıdan optik görüntüleme ayarlayın. çip ön ve yanlarından birine yönlendirilir için aşamaları üzerine yerleştirilmiş iki teleskop kullanın.
  6. sensörün yansıma numunesi üzerinde görünür böylece Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanarak, sensörden 1 um mesafeye örnek taşıyın.
    NOT: SQUID zarar verebilir bu aşamada numune ve sensör arasında bağlantı kurun.
  7. S zarar görmesini önlemek için Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanılarak 1 mm uzakta sensörden - 0.5 örnek TaşıSTERLİN.
  8. Eşit ön açıları elde etmek için hizalama vidaları (Şekil 1a) döndürün (yani, Şekil 1c görüldüğü gibi çipin ucu yanları, onun yansıması ile yapmak açıları).
  9. algılayıcıdan 1 um'lik bir mesafe için örnek getirin. açıları kontrol edin ve gerekirse adım 3.7 ve 3.8 tekrarlayın.
  10. Sensör ve örnek (Şekil 1d) arasında 4 derecelik bir açı elde etmek için hizalama vidaları döndürün. çip ucu numunesi ile temas eder bir parçası olduğundan emin olun.

4. Ölçümler

  1. 4 K soğutma sistemi tarama kafası (Şekil 1a) yükleyin.
    NOT: Tarama kafası soğuk plaka bağlı ve bir vakum can çevrili olmalıdır. Dış manyetik alan (birkaç Gauss düşük alanlar bu çalışma için yeterli) uygulanması için teneke etrafında bir bobin tel. Mu-metal kalkan ile bu kurulumu örtün.
  2. Magne mevcudiyetinde serintik alan, mikroskop çevreleyen bobin üzerinden akım uygulanarak. İstenilen girdap yoğunluğu elde etmek için dikkatli alan kuvvetini seçin. Bekleme süresi alanını hesaplamak için 1Φ 0 = 20.7 G / um 2 kullanın. Örneğin, bir 10 um 10 tarafından um alanında 10 girdapların için, 2.07 G. geçerlidir
  3. (10 K üzerinde, Nb için ısı) süperiletkenlik geçiş sıcaklığının üzerinde yeni bir girdap yoğunluk ısı örnek değiştirmek için. Yeni bir alan uygulayın.
  4. 4.2 K. Serin örnek
  5. manyetik alan kapatın. SQUID açın.
  6. sopa kayma kaba hareket sistemini kullanarak SQUID yakın örnek taşıyın.
    1. KALAMAR çip yakın örnek taşımak için Z-sopa kayma küp artan gerilimler uygulayın.
    2. Bir kapasitans köprüsü (tipik 0.1-1 V) ile kapasitans okumak için konsol ve plaka arasındaki gerilim uygulanmalıdır.
    3. Z piezo elemanı gerilimi Sweep. konsol ve plat arasındaki kapasitans ölçüne. kapasitans büyük bir değişiklik olursa, örnek SQUID çip ile temas halindedir.
    4. Örnek çipi ile temas yapmadıysanız, adımları yineleyin 4.6.1-4.6.3 temas görülünceye kadar.
    5. İsteğe bağlı: o kişi düşük voltajlı (0 - Z piezo uygulanan 10 V) oluşur, böylece ucu ve numune arasındaki mesafeyi ayarlamak için kurs hareketi kullanın.
    6. temas olduğunda, tekrar yüzeyinin eğim açılarının belirlenmesi ve sensöre göre numune düzlemini tanımlamak için çeşitli konumlarda 4.6.2-4.6.3 adımları.
  7. sensöre numunenin taşımak için X ve Y, piezo elemanları üzerindeki voltajı hareket ettirin. Girdap dağılımının haritasının çıkartılması için, uç ve örnek arasındaki temas olmaksızın, örneğin üzerine sabit bir yükseklikte tarar. X ve Y yerlere göre Z piezo gerilimi değiştirerek sabit tarama yüksekliğe ulaşmak ve 4.6 tanımlanan düzleme.
  8. bir girdap seçin ve arou taramand tam da merkezinde konumunu belirlemek için. girdap konum değil temas noktasına, kalamar en pikap döngü göreceli olduğunu unutmayın.
  9. SQUID kapatın.
  10. Bir sonraki girdap merkezine z piezo ve ya musluğa touchdown geriliminden daha yüksek bir gerilim uygulayın ya da istenilen bir yere numune üzerinde yavaş yavaş (numune ile temas halinde) sensörüne sürükleyerek girdap süpürün. girdap dokunun doğru veya süpürme yönde hareket edecektir. Tipik değerler 2-5 V uygulanacak z piezo gerilimine eklemek için
  11. SQUID açın.
  12. temas etmeden sabit bir yükseklikte tekrar görüntü girdap yeni konumunu bulmak için.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

Bizim protokolü başarılı bir şekilde Nb, iki numune ve NBN dokuz numunelerdeki tek tek, iyi ayrılmış girdapların bin üzerinde test edilmiştir. Tc Yukarıdaki örnek ısıtılması, ve manyetik alanın varlığında Lütfen 4.2 K soğutmak suretiyle aynı numune üzerinde yeni girdapları oluştururlar. Biz arzu girdap yoğunluğu elde etmek için dış manyetik alan seçti. Biz burada bu deneylerden gelen verileri göstermektedir. Bu sonuçlar, Kremen ve arkadaşları tarafından ayrıntılı olarak tarif

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

vortices Başarılı manipülasyon birçok kritik adımlar bağlıdır. Çip ucu numunesi ile temas kurmaya ilk olacak şekilde, bir açıyla sensörü hizalamak için önemlidir. İkinci olarak, örnek üzerine uygulanan kuvvet çip monte edilir konsol mekanik özellikleri ile belirlenir dikkat etmek önemlidir. Elastik rejimde, uygulanan kuvvet Hooke yasasına göre, saptırma, x orantılıdır:
F = -kx

Burada K malzemenin Young modülü ve fiziksel boyutları tarafından belirlenen yay sabiti vardır ve verilir

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

Yazarların açıklayacak hiçbir şeyi yoktur.

Teşekkürler

Biz süperiletken filmler sağlamak için Bar-Ilan Üniversitesi'nden A. Sharoni teşekkür ederim. Bu araştırma, Avrupa Araştırma Konseyi Hibe ERC-2014-STG- 639792 tarafından desteklenen, Marie Curie Kariyer Entegrasyon Hibe FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799 ve İsrail Bilim Vakfı Hibe ISF-1102-1113.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
sopa kayma kaba hareket sistemiattocubeANPx-101x,y hareket
çubuğu kayma kaba hareket sistemiattocubeANPz-101z hareket
çubuğu kayma kaba hareket sistemi kontrolörüAttocubeANC 300
yüksek gerilim amplifikatörüAttocubeANC 250
veri toplama kartıUlusal EnstrümanlarNI  PCIe-6363
piezo elemanlarıPiezo Systems IncT2Cmanyetik olmayan
düşük gürültü voltaj preamplifikatörüStanford Araştırma SistemleriSR 560
kapasitans köprüsüGenel Radyo1615A
teleskopNAVITAR1-504516
kameraMOTICAMMP2
dewarCryofabN/A
kesici uçICE oxfordN/A
Mu-metal kalkanAmunealN/A
vakum kapağıICE oxfordN/A
püskürtme sistemiAJA international IncN/A
alıştırma filmi3M261Xmanyetik olmayan
Nb hedefiKurt J. LeskerEJTNBXX351A2
GE VernikCMR-Direct02-33-001kriyojenik soğutucu için
Gümüş macunYapı Probu Inc05063-AB

Kaynaklar

  1. Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. Do Vortices Entangle? Phys. Rev. Lett. 92, 157002(2004).
  2. Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501(2007).
  3. Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
  4. 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).
  5. Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504(2009).
  6. Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598(2015).
  7. Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
  8. Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511(2011).
  9. Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704(2008).
  10. Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101(2008).
  11. Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

S periletken FilmlerPiezoelektrik ElementSilikon UManyetik AkNiyobyum nce FilmVorteks Kararl lKuantum Giri imi

İlgili makaleler