현지 연락처로 소용돌이 조작의 SQUID 연구를 스캔

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

소용돌이는 외부 자기장의 존재 제 2 형 초전도체에 형성된 나노 크기의 자성이다. 결함 무료 샘플에서 소용돌이 자유롭게 이동할 수 있습니다. 그러나, 와류에 대한 정력적으로 유리한 감소 초전도의 지역에 소재 결과에 다른 결함. 소용돌이는이 지역 또한 고정 사이트로 알려져을 장식하는 경향이있다. 이 경우에, 와류를 이동 시키는데 필요한 힘은 닝힘보다 커야한다. 이러한 와류 밀도 상호 작용 강도 및 범위 등 와류의 특성을 쉽게 외부 필드, 온도 나 시료의 형상에 의해 결정될 수있다. 이들 특성을 조절하는 기능들을 전자 응용 1,2 쉽게 조정될 수 응집 물질 동작뿐만 아니라 적합한 후보 좋은 모델 시스템 만든다. 각각의 와류의 위치 제어는 LO의 설계에 필수적인학적 요소입니다.

자성 나노 입자의 기계적 제어 전에 달성했다. Kalisky 등은. 최근 복합 산화물 인터페이스 3 강자성 패치에 대한 지역 기계적 응력의 영향을 연구하기 위해 스캔 초전도 양자 간섭 장치 (SQUID)를 사용했다. 이러한 과정에서 최대 1 μN의 힘을 적용하는 시료로 SQUID의 팁을 누르는 접촉 주사하여 패치의 방향을 변경할 수 있었다. 우리는 소용돌이를 이동하기 위해 우리의 프로토콜에서 유사한 방법을 사용했다.

선회 조작 기존 연구에서 모션 따라서 로렌츠 힘 (4, 5), (6) 생성, 샘플에 전류를인가함으로써 달성되었다. 이 방법은 효과적이지만, 로컬없고, 단일 소용돌이를 조절하기 위해 추가의 제조가 요구된다. 소용돌이는 manip 될 수 있습니다자기력 현미경 (MFM)으로 또는 SQUID 계자 코일 (7), (8), 예를 들면 외부 자계를인가함으로써 ulated. 이 방법은 효과적이고 로컬이지만, 이러한 툴에 의해 가해지는 힘이 작기 만 초전도체의 임계 온도에 가까운 고온에서 피닝 힘을 극복 할 수있다. 우리의 프로토콜은 샘플의 추가 가공없이 낮은 온도 (4 K)에 효과적, 지역 조작 할 수 있습니다.

우리 SQUID 주사 현미경을 사용하여 화상 와류. 센서는 구석으로 연마하고 유연한 캔틸레버에 접착되어있는 실리콘 칩 상에 제조된다. 캔틸레버는 표면의 정전 용량 검출에 사용된다. 접점은 칩의 선단에 위치하도록 상기 칩은 샘플 각도로 배치된다. 우리는 샘플에 칩을 밀어 최대 2 μN의 힘을 적용한다. 우리는 압전 소자에 의한 SQUID에 샘플 상대적으로 이동합니다. 우리는 이동소용돌이 옆에, 또는 그것을 청소 소용돌이를 터치하여 실리콘 팁을 탭하여 와류.

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Protocol

사형 SQUID 시스템에 1.

  1. 9, 10, 스틱 슬립 거친 모션 스테이지, 미세 운동을위한 압전 기반 스캐너 제조 된 SQUID 센서를 포함하는 주사 SQUID 시스템을 사용합니다. 그림 1을 참조하십시오.
  2. 픽업 루프 주위 코너에 오징어 칩을 폴란드어. 칩의 재료는 줄곧 픽업 루프를 제거 할 필요가있다.
    1. 부드럽게 5 μm의 0.5 비자 연마 종이를 사용하여 SQUID을 연마.
      주 : 연마 단계 이후 픽업 루프 시료와 근접하거나 접촉 할 수있다.

직류 (DC) 스퍼터링 니오븀 (Nb) 중 1 종 이상 박막 증착 2.

  1. 기판을 얻습니다. 본 연구에서는, 산화 규소와 500nm의 붕소 도핑 된 실리콘 기판을 사용한다. 그러한 된 SrTiO3 및 산화 마그네슘과 같은 다른 기판이 가능합니다.
  2. 기본 pressu 도달챔버 10-7 토르의 재. 프리 스퍼터를 10 분 동안 1.8 Å / s의 증착 속도 2.4 mTorr의 압력에서 아르곤 환경에서 99.95 % Nb를 대상으로 상온에서 증착 챔버. 챔버베이스 압력 미만 10-7 Torr의 경우 증착 프로세스에만 시작할 수 있습니다. 압력은 미리 스퍼터링 단계를 더 반복됩니다.
  3. 챔버에서 기판을 배치합니다.
  4. 1.8 Å / s의 증착 속도 2.4 mTorr의 압력에서 아르곤 환경에서는 99.95 % Nb를 타겟으로부터, 실온에서 스퍼터링 법에 의해 예금 Nb를 박막.

3. 샘플 팁 정렬

  1. 와류를 이동할 때, 칩의 선단이 시료와 접촉하도록이 단계에서, 샘플 센서 칩을 정렬. 이를 달성하기 위해, 적어도 39 °의 배향 각을 사용한다.
  2. 유전체 층으로 도전 접시에 유연한 캔틸레버 접착제. 그 후, SQUID 치 접착제캔틸레버에 페이지. 캔틸레버와 고정 플레이트 사이의 정전 용량은 샘플과 적용 스트레스의 정도와의 접촉을 결정합니다.
  3. 현미경에로드 샘플. 지정된 샘플 샘플을 접착제하면 광택 또는 페이스트를 사용하여 마운트합니다. Z 축 압전 소자 (그림 1a)에 마운트 접착제.
  4. 컨트롤러에 스틱 슬립 거친 모션 시스템을 연결합니다.
  5. 전면과 칩의 측면 - 두 개의 각도에서 광학 영상을 설정합니다. 상기 칩의 전면과 측면의 하나에 관한 번역 단계에 배치이 망원경을 사용합니다.
  6. 반사 센서의 샘플에 표시되도록 Z 스틱 슬립 거친 움직임 스테이지를 사용하여 상기 센서로부터 1 ㎛의 거리에 샘플을 이동.
    참고 : SQUID 문제를 야기 할 수 있습니다이 단계에서 시료와 센서 사이에 문의하십시오.
  7. 는 S의 손상을 방지하기 위해 Z 스틱 슬립 거친 움직임 스테이지를 사용하여 1mm 떨어져 센서 - 0.5 샘플 이동한 번 씹는 분량.
  8. 동일한 전면 각도를 얻을 수있는 맞춤 나사 (그림 1a)를 회전 (즉, 그림 1C에서와 같이 칩의 팁의 측면은, 그것의 반사로 만들 각도).
  9. 센서로부터 1 ㎛의 거리에 샘플을 이동합니다. 각도를 확인하고 필요한 경우 단계 3.7 및 3.8를 반복합니다.
  10. 센서와 샘플 (그림 1D) 사이의 4 도의 각도를 얻기 위해 맞춤 나사를 돌립니다. 칩의 끝이 시료와 접촉하는 부분입니다 있는지 확인합니다.

4. 측정

  1. 4 K의 냉각 시스템에 스캐닝 헤드 (도 1a)을로드.
    주 : 스캐닝 헤드는 콜드 플레이트에 접속되고, 진공 캔으로 둘러싸인한다. 외부 자기장을 (여러 가우스의 낮은 필드는이 연구에 충분) 적용하기위한 캔 주위에 코일 배선. 뮤 금속 방패이 설정을 커버.
  2. MAGNE의 존재 쿨TIC 필드 현미경을 둘러싸는 코일을 통해 전류를인가하여. 원하는 와류 밀도를 달성하기 위해주의하여 전계 강도를 선택. 재사용 대기 시간 필드를 계산하는 1Φ 0 = 20.7 G / μm의 2를 사용합니다. 예를 들어, 10 ㎛의 10 ㎛에 의해 영역 (10)의 와류에 대한, 2.07 G. 적용
  3. (10 K 이상, Nb를 들어 열) 초전도 전이 온도보다 새로운 와류 밀도 열 샘플 변화. 새 필드를 적용합니다.
  4. 4.2 K. 쿨 샘플
  5. 자기장을 끕니다. SQUID를 켭니다.
  6. 스틱 슬립 조대 모션 시스템을 사용하여 SQUID에 가까운 샘플을 이동.
    1. 오징어 칩에 가까운 샘플을 이동 Z-스틱 슬립 큐브 증가하고 전압을 적용합니다.
    2. 용량 다리 (일반적으로 0.1 V)를 사용하여 캐패시턴스를 판독 캔틸레버와 플레이트 사이에 전압을인가한다.
    3. Z 축 압전 소자에 전압을 스윕. 캔틸레버와 작은지면 사이의 정전 용량을 측정이자형. 정전 용량에 큰 변화가 발생하는 경우, 샘플은 SQUID 칩과 접촉한다.
    4. 샘플 칩과의 접촉을하지 않은 경우, 단계를 반복 4.6.1-4.6.3 접촉이 관찰 될 때까지.
    5. 선택 사항 : 해당 연락처가 낮은 전압 (- 0 Z 압전에 적용 10 V)에서 발생 있도록 팁과 시료 사이의 간격을 조정하는 과정 모션을 사용합니다.
    6. 접촉이되면 반복 표면의 경사 각도를 결정하기 위해 상기 센서에 대하여 샘플의 평면을 정의하기 위해 여러 위치 4.6.2-4.6.3 단계.
  7. 센서의 샘플에 대하여 이동하기 위해, X와 Y의 압전 소자에 전압을 스윕. 와류 분포를 매핑하기 위해, 팁과 시료 사이의 접촉없이 상기 샘플 일정한 높이에서 스캔. X 및 Y 위치에 따른 압전 Z상의 전압을 변화시킴으로써 일정한 스캔 높이를 달성하고, 4.6에 규정되는 평면이다.
  8. 소용돌이를 선택하고 arou 검색ND는 정확하게 중심의 위치를 ​​결정한다. 와류 위치하지 접점 때문에, SQUID의 픽업 루프에 대하여 유의.
  9. SQUID의 전원을 끕니다.
  10. 다음 와류 중심 Z 축 피에조 및 중 탭에 접지 전압보다 큰 전압을인가하거나, 원하는 위치에 샘플을 천천히 (시료와 접촉하는) 센서를 드래그하여 소용돌이 청소. 와류는 탭으로 또는 주사 방향으로 이동합니다. 일반적인 값은 2-5이다 V.인가 Z 압전 전압에 추가
  11. SQUID를 켭니다.
  12. 접촉없이 일정한 높이에서 다시 이미지는 소용돌이의 새 위치를 찾습니다.

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Representative Results

우리의 프로토콜은 성공적으로 Nb를 두 샘플 및 NBN의 구 샘플에서 개인, 잘 분리 와류의 수천 시험 하였다. 우리는 Tc를 상기 샘플을 가열하고, 자기장의 존재하에 다시 4.2 K까지를 ​​냉각하여 동일한 샘플 새로운 와류를 생성한다. 우리가 원하는 선회 밀도를 달성하기 위해, 외부 자계를 선택했다. 우리는 여기서이 실험에서 데이터가 표시됩니다. 이러한 결과는 크리 멘 등에 의해 상세하게 설명되었다. 11.

여기에 설명 된 프로토콜은 다양한 구성 (그림 2)에 와류 제어 조작 할 수 있습니다. 하나의 소용돌이는 1mm (그림 3)까지의 거리에서 이동하고 새로운 위치에서 안정적으로 유지되었다.

그림 1
그림 1. 스캔 SQUID 시스템. (a) 스캐닝 헤드. (b) 영역의 확대 사진의 원 (A). (다) 샘플 센서 전면 각도. 각도는 α 및 칩 샘플에서 자사의 반사 사이의 β 양쪽에 동일해야합니다. (d) 상기 센서와 시료 사이의 선택된 배향 각도. 칩과 반사 사이의 각도는 두 배 이상 39 °이어야 원하는 각도이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 2
와류도 2는 조작 MAGNE의 존재하에 샘플을 냉각시킨 후, (a) 초기 설정 문자를 형성 B.틱 필드입니다. (b)는 와류를 이동 한 후 새 구성, 문자 B의 모양 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

그림 3
820 ㎛의 거리에 드래그, 하나의 소용돌이 3. 몇 가지 조작을줍니다. 삽입한다 : (a) 하나의 소용돌이. 열쇠 구멍 형상의 자기 신호 및 센서의 점 확산 함수 간의 콘볼 루션에 기인한다. (b)는 SQUID와 접촉 스캔이 켜져. 와류의 초기 위치는 화상의 좌측에있다. 와류가 우단 더 이상 이동에 재배치 될 때까지 신호의 피크는 소용돌이 오른쪽으로 이동한다. (c)에 접촉하는 검사의 스케치. 그만큼주사로부터 수신 와류 위치가 끝으로부터 오프셋 픽업 루프에 대하여 동안 센서의 선단은 시료와 접촉하도록 상기 제이다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭하십시오.

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Discussion

소용돌이의 성공적인 조작은 몇 가지 중요한 단계에 따라 달라집니다. 이 칩의 끝이 샘플과 접촉을 할 첫 번째가 될 것 같은 것이, 각도 센서를 정렬하는 것이 중요합니다. 둘째, 시료에 가해지는 힘이 칩에 장착 된 칸틸 레버의 기계적 특성에 의해 결정된다는 점에 유의하는 것이 중요하다. 탄성 체제에 가해지는 힘은 후크의 법칙에 의하면, 구부러짐, (X)에 비례한다 :
F = -kx

여기서 k는 재료의 영률 및 물리적 크기에 의해 결정되는 스프링 상수이며, 그리고 주어진다
K = 잇 3 / 4리터 3w

여기서, E는 영률이고 폭이며, L은 길이 w는, t는 빔 두께이다. 구리 캔틸레버를 들어, E = 117 GPa의. 우리의 캔틸레버는 K = 0.35 N / m를 제공하는 3 mm 폭 10.7 mm 길이, 0.017 mm 두께이었다. Z 축 피에조의 전압은 1 V 벨로 때터치 다운 승, 편향 1.6 μm의이었다. 이 0.56 μN의 힘을 제공합니다. 이 원하는 힘을 얻기 위해, 제대로 캔틸레버 재료와 크기를 선택하는 것이 중요합니다.

SQUID 스캔으로 와류의 위치를 ​​획득 루프 상대적임을 주목하는 것이 중요하며, 접점은 칩 및 연마의 크기에 따라 픽업 루프로부터 변위된다. 이 변위는 칩의 팁 와류 위치 주변 접하는 것을 보장하기 위해 상기 탭 이벤트 또는 접촉 주사 위치를 선택할 때 고려되어야한다.

소용돌이는 샘플로 어렵게 끝을 밀어 더 긴 기간에 대한 샘플을 누르거나 고정 힘을 극복하고 소용돌이를 탈구 수있는 샘플에 걸쳐 천천히 끝을 드래그하여 더 많은 스트레스를 적용, 접촉 스캔 한 후 변위되지 않은 경우.

샘플은 manipulati의 메모리를 보이지 않았다에; 우리는 초 유체 밀도에 대응하는 시료의 반자성의 변화뿐만 아니라, 샘플의 지형에 전혀 변화가 관찰되지 않는다. 새로운 보텍스 구성 재가열 이전 조작 중 하나 (11)의 메모리를 보이지 않았다 자기장의 존재 하에서 냉각 한 후 생성.

우리의 방법은 접촉 지점의 크기에 의해 제한된다. 이 기술은 미세 조정 소용돌이의 위치에 대한 잠재력을 가지고 있지만, 지금까지 우리는 (100 nm의 최대 1 μm의) 칩의 약간 큰, 광택 팁 프로토콜의 능력을 증명하고있다. 팁의 특성을 변형 구배를 알기 위해 필요합니다.

결론적으로, 우리는 프로토콜을 저온에서 샘플의 추가 가공하지 않고 박막 초전도 개별 와류의 조작을 허용한다. 설계의 응용을 가질 수있다 와류의 위치를 ​​제어하는 ​​능력을 습득기반 논리 게이트뿐만 아니라, 다른 소용돌이, 격자 및 기타 자성 입자와 와류의 상호 작용의 연구 플럭스.

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Acknowledgements

우리는 초전도 필름을 제공하는 바 - 일란 대학의 A. Sharoni 감사합니다. 이 연구는 유럽 연구위원회 그랜트 ERC-2014-STG- 639792에 의해 지원되었다, 마리 퀴리 경력 통합 그랜트 FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, 이스라엘 과학 재단 그랜트 ISF-13분의 1,102.

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).
  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).

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