स्थानीय संपर्क से भंवर हेरफेर का विद्रूप अध्ययन स्कैन

1Department of Physics and Institute of Nanotechnology and Advanced Materials, Bar-Ilan University
Published 2/01/2017
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Engineering

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Persky, E., Kremen, A., Wissberg, S., Shperber, Y., Kalisky, B. Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact. J. Vis. Exp. (120), e54986, doi:10.3791/54986 (2017).

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Abstract

Introduction

भेंवर nanoscale पर चुंबकीय वस्तुओं, बाहरी चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में टाइप 2 अतिचालक में बनते हैं। एक दोष मुक्त नमूने में, भेंवर स्वतंत्र रूप से स्थानांतरित कर सकते हैं। हालांकि, जो भेंवर के लिए उर्जा अनुकूल हैं कम हो अतिचालकता के क्षेत्रों में सामग्री परिणाम में विभिन्न दोषों। भेंवर इन क्षेत्रों में भी लगाए साइटों के रूप में जाना जाता है सजाने के लिए करते हैं। इस मामले में, बल एक भंवर स्थानांतरित करने के लिए आवश्यक लगाए बल से अधिक होना चाहिए। ऐसे भंवर घनत्व, बातचीत शक्ति और सीमा के रूप में भेंवर के गुण, आसानी से बाहरी क्षेत्र, तापमान, या नमूना की ज्यामिति द्वारा निर्धारित किया जा सकता है। इन गुणों को नियंत्रित करने की क्षमता उन्हें इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों 1, 2 के लिए संघनित पदार्थ व्यवहार आसानी से देखते जा सकता है कि, साथ ही उपयुक्त उम्मीदवारों के लिए एक अच्छा मॉडल प्रणाली बनाता है। व्यक्तिगत भेंवर के स्थान का नियंत्रण इस तरह के लो के डिजाइन के लिए आवश्यक हैgical तत्वों।

चुंबकीय नैनोकणों के यांत्रिक नियंत्रण से पहले हासिल की गई थी। Kalisky एट अल। हाल ही में जटिल ऑक्साइड इंटरफेस 3 में लौह-चुंबकीय पैच पर स्थानीय यांत्रिक तनाव के प्रभाव का अध्ययन करने के लिए स्कैनिंग superconducting क्वांटम हस्तक्षेप डिवाइस (व्यंग्य) का इस्तेमाल किया। वे संपर्क में स्कैनिंग करके पैच का रुख बदलने के लिए, नमूना में व्यंग्य की नोक दबाने, इस प्रक्रिया में अप करने के लिए 1 μN की एक ताकत लगाने में सक्षम थे। हम आदेश भेंवर को स्थानांतरित करने में हमारे प्रोटोकॉल में एक समान विधि का इस्तेमाल किया है।

भंवर में गड़बड़ी की मौजूदा अध्ययन में, गति नमूना करने के लिए मौजूदा लगाने से प्राप्त किया गया था, इस प्रकार Lorentz बल 4, 5, 6 का निर्माण। हालांकि इस विधि प्रभावी है, यह स्थानीय नहीं है, और आदेश में एक भी भंवर को नियंत्रित करने में, अतिरिक्त निर्माण की आवश्यकता है। भेंवर भी manip हो सकता हैएक चुंबकीय बल सूक्ष्मदर्शी (एम एफ एम) के साथ या एक विद्रूप क्षेत्र का तार 7, 8 के साथ बाहरी चुंबकीय क्षेत्र लागू करने, उदाहरण के लिए संचित। इस विधि प्रभावी और स्थानीय है, लेकिन बल इन उपकरणों द्वारा लागू छोटा है, और केवल उच्च तापमान, superconductor की महत्वपूर्ण तापमान के करीब पर लगाए बल दूर कर सकते हैं। हमारी प्रोटोकॉल नमूने के अतिरिक्त निर्माण के बिना कम तापमान (4) कश्मीर में प्रभावी, स्थानीय हेरफेर की अनुमति देता है।

हम स्कैन विद्रूप माइक्रोस्कोपी का उपयोग कर छवि भेंवर। सेंसर एक सिलिकॉन चिप जो एक कोने में पॉलिश है, और एक लचीला ब्रैकट पर चिपके पर निर्मित है। ब्रैकट सतह की कैपेसिटिव संवेदन के लिए प्रयोग किया जाता है। चिप, नमूना के लिए एक कोण पर रखा गया है, ताकि संपर्क बिंदु चिप की नोक पर है। हम नमूना में चिप धक्का द्वारा अप करने के लिए 2 μN की ताकतों के लागू होते हैं। हम पीजो तत्वों द्वारा विद्रूप के लिए नमूना रिश्तेदार चलते हैं। हम चलते हैंसिलिकॉन टिप दोहन एक भंवर के बगल में है, या यह व्यापक, भंवर को छूकर द्वारा भंवर।

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Protocol

1. एक स्कैन विद्रूप प्रणाली के उपयोग के

  1. एक स्कैन विद्रूप प्रणाली है कि एक विद्रूप सेंसर एक चिप 9, 10, छड़ी पर्ची मोटे गति चरण, और ठीक गति के लिए एक पीजो आधारित स्कैनर पर गढ़े शामिल प्रयोग करें। चित्रा 1 देखें।
  2. पिक पाश के आसपास एक कोने में विद्रूप चिप पॉलिश। चिप की सामग्री पिक पाश करने के लिए सभी तरह से हटा दिया जाना चाहिए।
    1. धीरे विद्रूप पॉलिश, एक 5 0.5 माइक्रोन nonmagnetic चमकाने कागज का उपयोग कर।
      नोट: चमकाने चरण के बाद पिक पाश नमूने के साथ, करीब निकटता, या संपर्क में लाया जा सकता है।

2. नाइओबियम (नायब) पतली फिल्म के साथ प्रत्यक्ष वर्तमान (डीसी) Sputtering के बयान

  1. एक सब्सट्रेट प्राप्त करते हैं। इस काम में, सिलिकॉन ऑक्साइड के 500 एनएम के साथ एक बोरान डाल दिया गया सिलिकॉन सब्सट्रेट का उपयोग करें। ऐसे SrTiO और एम जी ओ के रूप में अन्य substrates संभव हो रहे हैं।
  2. एक आधार pressu रीचचैम्बर में 10 -7 Torr की पुन। पूर्व धूम 10 मिनट के लिए 1.8 ए / एस एक बयान दर के साथ 2.4 mTorr के दबाव में एक 99.95% नायब लक्ष्य के साथ कमरे के तापमान पर वाष्पीकरण कक्ष, एक आर्गन वातावरण में। ध्यान दें कि बयान प्रक्रिया ही शुरू कर सकते हैं जब कक्ष में आधार दबाव कम से कम 10 -7 Torr है। दबाव अधिक दोहराने पूर्व sputtering मंच है।
  3. चैम्बर में सब्सट्रेट रखें।
  4. 1.8 ए / एस के एक बयान की दर के साथ 2.4 mTorr के दबाव में एक आर्गन वातावरण में एक 99.95% नायब लक्ष्य से कमरे के तापमान पर sputtering, द्वारा जमा नायब पतली फिल्म।

3. नमूना की नोक संरेखण

  1. इस चरण में, नमूना के साथ सेंसर चिप संरेखित इतना है कि चिप की नोक नमूने के साथ संपर्क में आता है जब भेंवर घूम रहा है। इस लक्ष्य को हासिल करने के लिए, कम से कम 4 डिग्री के कोण संरेखण का उपयोग करें।
  2. एक ढांकता हुआ परत के साथ एक आयोजन प्लेट पर एक लचीला ब्रैकट गोंद। फिर, विद्रूप ची गोंदब्रैकट पर पी। ब्रैकट और एक स्थिर प्लेट के बीच समाई नमूना और तनाव की हद तक आवेदन के साथ संपर्क निर्धारित करता है।
  3. माइक्रोस्कोप पर लोड नमूना। एक नामित नमूने के लिए नमूना गोंद एक वार्निश या चांदी पेस्ट का उपयोग माउंट। जेड पीजो तत्व (चित्रा 1 ए) के लिए माउंट गोंद।
  4. एक नियंत्रक के लिए छड़ी पर्ची मोटे प्रस्ताव प्रणाली कनेक्ट करें।
  5. आगे और चिप की ओर - दो कोणों से ऑप्टिकल इमेजिंग सेट करें। दो दूरबीन अनुवाद चरणों पर रख दिया गया, चिप के सामने और अपने पक्ष में से एक के लिए निर्देशित प्रयोग करें।
  6. जेड छड़ी पर्ची मोटे गति मंच का उपयोग, सेंसर से 1 माइक्रोन की दूरी के लिए नमूना कदम इतना है कि सेंसर का प्रतिबिंब नमूना पर दिख रहा है।
    नोट: इस चरण में नमूना और सेंसर के बीच संपर्क विद्रूप को नुकसान पहुँचा सकता है।
  7. 1 मिमी सेंसर से दूर एस को होने वाले नुकसान को रोकने के लिए जेड छड़ी पर्ची मोटे गति मंच का उपयोग - 0.5 नमूना ले जाएँरुपये।
  8. संरेखण शिकंजा (चित्रा 1 ए) के बराबर सामने कोण पाने के लिए बारी बारी से (यानी, कोण चिप के टिप के पक्ष, अपनी परछाई के साथ कर के रूप में चित्रा 1C में देखा)।
  9. सेंसर से 1 माइक्रोन की दूरी के लिए नमूना ले जाएँ। कोण की जाँच करें और कदम 3.7 और 3.8 दोहराने यदि आवश्यक है।
  10. संरेखण शिकंजा घुमाएँ सेंसर और नमूना (चित्रा -1) के बीच 4 डिग्री के कोण पाने के लिए। यकीन है कि चिप की नोक हिस्सा है जो नमूने के साथ संपर्क करता है सुनिश्चित करें।

4. माप

  1. एक 4 कश्मीर शीतलन प्रणाली के लिए स्कैनिंग सिर (चित्रा 1 ए) लोड।
    नोट: स्कैनिंग सिर एक ठंड की थाली से जुड़ा होना चाहिए, और एक वैक्यूम कर सकते हैं से घिरा हुआ है। बाहरी चुंबकीय क्षेत्र (कई गॉस के निम्न क्षेत्रों में इस अध्ययन के लिए पर्याप्त हैं) को लागू करने के लिए कर सकते हैं चारों ओर एक तार तार। एक म्यू-धातु ढाल के साथ इस स्थापना को कवर किया।
  2. Magne की उपस्थिति में कूलटिक क्षेत्र, माइक्रोस्कोप आसपास के तार के माध्यम से वर्तमान को लागू करने से। वांछित भंवर घनत्व प्राप्त करने के लिए ध्यान से क्षेत्र की ताकत का चयन करें। Cooldown क्षेत्र की गणना करने के 1Φ 0 = 20.7 जी / माइक्रोन 2 का प्रयोग करें। उदाहरण के लिए, एक 10 10 से माइक्रोन माइक्रोन क्षेत्र में 10 भेंवर के लिए, 2.07 जी लागू
  3. (ऊपर 10 कश्मीर नायब लिए, गर्मी) अतिचालक संक्रमण तापमान ऊपर एक नया भंवर घनत्व गर्मी नमूना को बदलने के लिए। नए क्षेत्र को लागू करें।
  4. 4.2 लालकृष्ण कूल नमूना
  5. चुंबकीय क्षेत्र को बंद कर दें। चालू करें विद्रूप।
  6. नमूना विद्रूप छड़ी पर्ची मोटे प्रस्ताव प्रणाली का उपयोग करने के लिए करीब ले जाएँ।
    1. जेड छड़ी पर्ची घन पर बढ़ती voltages लागू नमूना विद्रूप चिप के करीब ले जाने के लिए।
    2. समाई एक समाई पुल (0.1-1 वी आमतौर पर) का उपयोग कर पढ़ने के लिए ब्रैकट और प्लेट के बीच वोल्टेज लागू करें।
    3. जेड पीजो तत्व पर वोल्टेज झाडू। ब्रैकट और बेनी के बीच समाई उपायई। समाई में एक बड़ा परिवर्तन होता है, तो नमूना विद्रूप चिप के साथ संपर्क में है।
    4. नमूना चिप के साथ संपर्क नहीं बना था, तो चरणों को दोहराएँ 4.6.1-4.6.3 तक संपर्क मनाया जाता है।
    5. वैकल्पिक: इतना है कि संपर्क कम वोल्टेज (0 - 10 वी जेड पीजो पर लागू) पर होता है टिप और नमूना के बीच अंतर को समायोजित करने के लिए पाठ्यक्रम गति का प्रयोग करें।
    6. वहां पहुंचने पर संपर्क है, दोहराने के आदेश की सतह का झुकाव कोण निर्धारित करने के लिए और नमूने के विमान, सेंसर के सापेक्ष परिभाषित करने के लिए कई स्थानों में 4.6.2-4.6.3 कदम।
  7. आदेश सेंसर करने के लिए नमूना रिश्तेदार को स्थानांतरित करने में एक्स और वाई पीजो तत्वों पर वोल्टेज झाडू। नमूना ऊपर एक निरंतर ऊंचाई पर स्कैन, टिप और नमूना के बीच संपर्क के बिना, आदेश भंवर वितरण नक्शा करने में। एक्स और वाई स्थानों के अनुसार जेड पीजो पर वोल्टेज बदलकर एक निरंतर स्कैन ऊंचाई को प्राप्त करने, और विमान 4.6 में परिभाषित करने के लिए।
  8. एक भंवर चुनें और arou स्कैनएन डी यह ठीक इसके केंद्र के स्थान का निर्धारण करने के लिए। ध्यान दें कि भंवर स्थान, विद्रूप पिक पाश के सापेक्ष है संपर्क बिंदु के लिए नहीं।
  9. विद्रूप बंद कर दें।
  10. भंवर केंद्र के बगल में एक वोल्टेज कि जेड पीजो और या तो नल के लिए touchdown वोल्टेज से अधिक है लागू करें या एक इच्छित स्थान के लिए नमूना पर सेंसर (नमूने के साथ संपर्क में) खींचकर धीरे धीरे द्वारा भंवर झाडू। भंवर नल की दिशा में या व्यापक दिशा में कदम होगा। विशिष्ट मूल्यों लागू किया Z पीजो वोल्टेज में जोड़ने के लिए 2-5 वी रहे हैं
  11. चालू करें विद्रूप।
  12. संपर्क के बिना एक निरंतर ऊंचाई पर छवि फिर भंवर के नए स्थान का पता लगाने के लिए।

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Representative Results

हमारी प्रोटोकॉल सफलतापूर्वक NBN के नौ नमूने नायब के दो नमूने, और व्यक्ति में, अच्छी तरह से अलग भेंवर के हजारों पर परीक्षण किया गया था। हम टीसी ऊपर नमूना हीटिंग, और इसे वापस 4.2 कश्मीर के लिए एक चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में ठंडा करके ही नमूना पर नए भेंवर उत्पन्न करते हैं। हम वांछित भंवर घनत्व हासिल करने के लिए बाहरी चुंबकीय क्षेत्र चुना है। हम यहाँ इन प्रयोगों से डेटा दिखाने के लिए। इन परिणामों के बारे में विस्तार से Kremen एट अल द्वारा वर्णित किया गया है। 11।

प्रोटोकॉल यहाँ वर्णित विभिन्न विन्यास (चित्रा 2) में भेंवर चलाया हेरफेर के लिए अनुमति देता है। एकल भेंवर 1 मिमी (चित्रा 3) के लिए दूरी पर ले जाया गया, और उनके नए स्थानों पर स्थिर बने रहे थे।

आकृति 1
चित्रा 1. स्कैन विद्रूप प्रणाली। (क) स्कैनिंग सिर। (ख) क्षेत्र के बढ़े हुए फोटो में परिक्रमा (क)। (ग) नमूना सेंसर सामने कोण। कोणों अल्फा और चिप और नमूना से अपनी परछाई के बीच β पर दोनों पक्षों के बराबर होना चाहिए। (घ) सेंसर और नमूना के बीच चुना संरेखण कोण। चिप और प्रतिबिंब के बीच कोण दो बार वांछित कोण है, जो कम से कम 4 डिग्री होना चाहिए। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र 2
चित्रा 2. भेंवर के हेरफेर Magne की उपस्थिति में ठंडा करने के बाद नमूना पत्र बी (एक) प्रारंभिक विन्यास के लिए फार्मटिक क्षेत्र। (ख) भेंवर जाने के बाद एक नया विन्यास, पत्र बी के आकार में यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

चित्र तीन
3. एक भी भंवर के कई जोड़तोड़ चित्रा, 820 माइक्रोन की दूरी पर खींच। इनसेट: (क) एक एकल भंवर। ताली लगाने का आकार चुंबकीय संकेत और सेंसर की बात फैल समारोह के बीच कनवल्शनफ़िल्टर्स के कारण है। (ख) व्यंग्य के साथ संपर्क में एक स्कैन पर दिया। भंवर के प्रारंभिक स्थान के चित्र के बाईं पर है। संकेत के शिखर, भंवर के साथ सही करने के लिए ले जाता है जब तक भंवर सही अंत और अब चाल पर दूसरी जगह है। (ग) संपर्क में एक स्कैन का एक स्केच।सेंसर की नोक, नमूने के साथ संपर्क बनाने के लिए सबसे पहले है, जबकि भंवर स्थान स्कैन से प्राप्त पिक पाश, जो सिरे से ऑफसेट है के सापेक्ष है। यह आंकड़ा का एक बड़ा संस्करण देखने के लिए यहां क्लिक करें।

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Discussion

भेंवर के सफल हेरफेर के लिए कई महत्वपूर्ण कदम पर निर्भर करता है। यह एक कोण पर संवेदक के लिए पंक्ति में, इस तरह की है कि चिप की नोक नमूने के साथ संपर्क बनाने के लिए पहले किया जाएगा महत्वपूर्ण है। दूसरा, यह ध्यान दें कि बल नमूना पर लगाए गए ब्रैकट कि चिप पर मुहिम शुरू की है के यांत्रिक गुणों से निर्धारित होता है महत्वपूर्ण है। लोचदार शासन में, बल लागू करने के लिए नीचे को झुकाव, एक्स आनुपातिक है, हूक के नियम के अनुसार:
एफ = -kx

जहां कश्मीर लगातार वसंत, सामग्री की यंग मापांक, और अपनी शारीरिक आयाम द्वारा निर्धारित किया है, और द्वारा दिया जाता है
कश्मीर = एट 3 डब्ल्यू / 4L 3

इधर, ई यंग मापांक है, टी, किरण की मोटाई है डब्ल्यू चौड़ाई है और एल लंबाई है। एक तांबे ब्रैकट के लिए, ई = 117 GPA। हमारे ब्रैकट 0.017 मिमी मोटी, 3 मिमी चौड़े और 10.7 मिमी लंबा है, जो कश्मीर = 0.35 एन / मी देना था। जब जेड पीजो में वोल्टेज 1 वी बेलो थाडब्ल्यू touchdown, नीचे को झुकाव 1.6 माइक्रोन था। यह 0.56 μN के बल देता है। यह ब्रैकट सामग्री और आयाम ठीक से चयन करने के लिए, वांछित बल पाने के लिए महत्वपूर्ण है।

यह भी ध्यान दें कि भंवर के रूप में व्यंग्य द्वारा स्कैन के स्थान पिक पाश के सापेक्ष है महत्वपूर्ण है, और संपर्क बिंदु चिप और चमकाने के आकार के अनुसार पिक पाश से विस्थापित है कि। इस विस्थापन जब बीमा है कि चिप की नोक भंवर स्थान के पास से संपर्क करता है नल घटना, या संपर्क स्कैन के स्थान का चयन, के लिए जिम्मेदार जा रहा है।

एक भंवर संपर्क में स्कैनिंग, नमूना में कठिन टिप धकेलने के एक लंबी अवधि के लिए नमूना दबाने या नमूना भर में और अधिक धीरे टिप खींचकर लगाए बल पर काबू पाने में मदद मिलेगी और भंवर भंग हो सकती है के द्वारा और अधिक तनाव लगाने के बाद विस्थापित नहीं किया गया था।

नमूना manipulati की स्मृति नहीं दिखा थापर; हम नमूने के प्रतिचुम्बकत्व में कोई बदलाव नहीं आया, superfluid घनत्व को इसी के साथ ही नमूने की स्थलाकृति के लिए कोई परिवर्तन नहीं मनाया। न्यू भंवर विन्यास reheating और चुंबकीय क्षेत्र की उपस्थिति में ठंडा पिछले जोड़तोड़ या तो 11 वर्ष की स्मृति नहीं दिखा था के बाद बनाया।

हमारे विधि संपर्क बिंदु के आकार के द्वारा सीमित है। तकनीक ठीक ट्यूनिंग भेंवर के स्थान के लिए क्षमता है, लेकिन अभी तक हम (100 एनएम ऊपर से 1 माइक्रोन के लिए) चिप की जगह बड़े, पॉलिश खरीदारों के लिए प्रोटोकॉल की क्षमताओं का प्रदर्शन किया है। टिप की विशेषता आदेश तनाव ढ़ाल पता करने की जरूरत है।

अंत में, हमारे प्रोटोकॉल कम तापमान पर और नमूना के आगे निर्माण के बिना पतली फिल्मों में अलग-अलग superconducting भेंवर के हेरफेर के लिए अनुमति देता है। भेंवर के स्थान को नियंत्रित करने के डिजाइन में आवेदन कर सकते क्षमता माहिरआधारित तर्क फाटकों, साथ ही साथ में अन्य भेंवर, जाली, और अन्य चुंबकीय कणों के साथ भेंवर की बातचीत के अध्ययन के प्रवाह।

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Acknowledgements

हम अतिचालक फिल्मों प्रदान करने के लिए बार-इलान विश्वविद्यालय से ए Sharoni धन्यवाद। इस शोध यूरोपीय अनुसंधान परिषद अनुदान ईआरसी-2014-STG- 639,792 द्वारा समर्थित किया गया था, मैरी क्यूरी कैरियर एकता अनुदान FP7 लोगों के बीच-2012-CIG-333799, और इसराइल विज्ञान फाउंडेशन अनुदान ISF-1102/13।

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

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References

  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).
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  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).
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  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).
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