Digitalizar Estudo SQUID de Manipulação Vortex por contato local

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

Vórtices são objetos magnéticos em nanoescala, formada em tipo 2 supercondutores na presença de um campo magnético externo. Em uma amostra livre de defeitos, vórtices podem se mover livremente. No entanto, diferentes defeitos no resultado de material nas regiões da supercondutividade reduzida que são energeticamente favorável para vórtices. Vórtices tendem a decorar estas regiões, também conhecidos como os locais de fixação. Neste caso, a força necessária para mover um vórtice deve ser maior do que a força de fixação. Propriedades de vórtices, tais como a densidade de vórtice, a força interacção e gama, pode ser facilmente determinada por um campo externo, a temperatura, ou a geometria da amostra. A capacidade de controlar estas propriedades que os torna um bom sistema modelo para o comportamento da matéria condensada que pode ser facilmente afinado, bem como candidatos adequados para aplicações electrónicas 1, 2. O controlo da localização dos vórtices individuais é essencial para a concepção de tais Loelementos gicos.

controle mecânico de nanopartículas magnéticas tinha sido alcançado antes. Kalisky et ai. recentemente utilizado digitalização supercondutores quantum interference device (SQUID) para estudar a influência do estresse mecânico local no manchas ferromagnéticos nas interfaces de óxido complexo 3. Eles foram capazes de alterar a orientação do penso por varrimento em contacto, pressionar a ponta da lula na amostra, aplicando uma força de 1 até μN no processo. Temos utilizado um método semelhante em nosso protocolo, a fim de mover vórtices.

Em estudos existentes sobre a manipulação do vortex, movimento foi conseguido através da aplicação de corrente com a amostra, assim criando força de Lorentz 4, 5, 6. Enquanto este método é eficaz, não é local, e, a fim de controlar uma única vórtice, fabricação adicional é necessária. Vórtices também pode ser manippovoadas por aplicação de um campo magnético externo, por exemplo com um microscópio de força magnética (MFM) ou com uma bobina de campo SQUID 7, 8. Este método é eficaz e local, mas a força exercida por estas ferramentas é pequena, e pode superar a força fixando-se apenas com altas temperaturas, próximas da temperatura crítica do supercondutor. Nosso protocolo permite uma manipulação eficaz, local, a baixas temperaturas (4 K) sem fabricação adicional da amostra.

Nós imagem vórtices usando microscopia de varredura SQUID. O sensor é fabricado num chip de silício, que é polida para um canto, e colado sobre um braço de suporte flexível. O braço de suporte é utilizado para detecção capacitiva da superfície. O chip é colocado em ângulo com a amostra, de modo que o ponto de contacto está na ponta do chip. Nós aplicar forças de até 2 μN empurrando o chip na amostra. Movemo-nos a amostra em relação ao SQUID por elementos piezo. Nós movemoso vórtice tocando a ponta de silício ao lado de um vórtice, ou por varrendo-o, tocar o vórtice.

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Protocol

1. O acesso a um Sistema de Digitalização SQUID

  1. Use um sistema de SQUID de digitalização que inclui um sensor SQUID fabricado num chip de 9, 10, vara deslizamento estágio movimento grosseiro, e um scanner baseado em piezo para o movimento bem. Veja a Figura 1.
  2. Polir o chip SQUID em um canto em torno do laço de recolhimento. O material do chip tem de ser removido todo o caminho para o circuito de captação.
    1. Gentilmente polir o SQUID, usando um 5-0,5 mm de papel de polimento não magnético.
      NOTA: Após a fase de polimento do circuito de captação pode ser posta em proximidade ou contato, com a amostra.

2. Deposição de nióbio (Nb) Thin Film com Corrente contínua (CC) Sputtering

  1. Obter um substrato. Neste trabalho, utilizar um substrato de silício dopado com boro, com 500 nm de óxido de silício. Outros substratos tais como SrTiO e MgO são possíveis.
  2. Chegar a um pressu de basere de 10 -7 Torr na câmara. Pré-sputter da câmara de evaporação à temperatura ambiente com um alvo Nb 99,95%, em ambiente de árgon, a uma pressão de 2,4 mTorr com uma velocidade de deposição de 1,8 Ã / s para 10 min. Note-se que o processo de deposição pode começar apenas quando a pressão de base da câmara é inferior a 10 -7 Torr. Se a pressão é maior repita a fase de pré-pulverização catódica.
  3. Coloque substrato na câmara.
  4. Depósito Nb película fina por pulverização catódica à temperatura ambiente a partir de um alvo Nb 99,95%, em ambiente de árgon, à pressão de 2,4 mTorr com uma velocidade de deposição de 1,8 Ã / s.

Alinhamento 3. Sample-tip

  1. Nesta etapa, o chip sensor alinhar com a amostra de forma que a ponta do chip faz contacto com a amostra quando se deslocam os vórtices. Para conseguir isso, usar um ângulo de alinhamento de pelo menos 4 ° C.
  2. Cole um braço de suporte flexível em uma placa condutora com uma camada de dieléctrico. Em seguida, cole o chi SQUIDp sobre o cantilever. A capacitância entre o cantilever e uma placa estática determina o contato com a amostra e a extensão da tensão aplicada.
  3. amostra de carga sobre o microscópio. Cole a amostra a uma amostra designada montagem usando um verniz ou prata colar. Cole a montagem ao elemento Z piezo (Figura 1a).
  4. Ligue o sistema de movimento grossa vara de deslizamento para um controlador.
  5. Configurar imageamento óptico de dois ângulos - a frente eo lado do chip. Usar dois telescópios colocados em estágios de translação, dirigido para a frente de o chip e um dos seus lados.
  6. Utilizando a vara Z deslizamento fase grosseira movimento, mover-se a amostra a uma distância de 1 uM a partir do sensor, de modo que a reflexão do sensor é visível na amostra.
    NOTA: Entre em contato entre a amostra e o sensor nesta fase pode prejudicar o SQUID.
  7. Mova a amostra de 0,5 - 1 mm de distância do sensor utilizando a fase Z vara deslizamento movimento grossa para evitar danos ao SLIBRA.
  8. Girar a parafusos de alinhamento (Figura 1a) para obter ângulos frontais iguais (ou seja, os ângulos dos lados da ponta do chip fazer com sua reflexão, como pode ser visto na Figura 1c).
  9. Mover a amostra a uma distância de 1 uM a partir do sensor. Verifique os ângulos e repita o passo 3.7 e 3.8, se necessário.
  10. Rodar os parafusos de alinhamento para obter um ângulo de 4 graus entre o sensor e a amostra (Figura 1D). Certifique-se a ponta do chip é a parte que entra em contato com a amostra.

4. medições

  1. Coloque a cabeça de digitalização (Figura 1a) para um sistema de 4 K de resfriamento.
    NOTA: cabeça de digitalização deve ser conectado a uma placa fria, e rodeado por uma lata de vácuo. Ligar uma bobina em torno da lata para aplicação de um campo magnético externo (baixos campos de vários Gauss são suficientes para este estudo). Cubra essa configuração com um escudo Mu-metal.
  2. Legal, na presença de magneTic campo, através da aplicação de corrente através da bobina em torno do microscópio. Escolha a intensidade do campo cuidadosamente para conseguir a densidade desejada vórtice. Use 1Φ = 0 20,7 g / uM 2 para calcular o campo de recarga. Por exemplo, para 10 vórtices em um 10 um por 10 uM área, aplicam-se 2,07 G.
  3. Para alterar para a nova amostra de calor densidade vórtice acima da temperatura de transição supercondutora (Para Nb, aqueça acima de 10 K). Aplicar o novo campo.
  4. amostra legal para 4,2 K.
  5. Vire campo magnético fora. Vire SQUID diante.
  6. Mova a amostra perto do SQUID usando o sistema de movimento grossa vara de deslizamento.
    1. Aplique tensões crescentes no cubo Z-stick deslizamento para mover a amostra mais próxima do chip SQUID.
    2. Aplicar a tensão entre o braço de suporte e a placa de leitura a capacitância usando uma ponte de capacitância (0,1-1 V tipicamente).
    3. Varrer a tensão no elemento piezo Z. Medir a capacitância entre o cantilever ea plate. Se uma grande alteração na capacitância ocorre, a amostra está em contacto com o chip SQUID.
    4. Se a amostra não fazer contato com o chip, repita os passos 4.6.1-4.6.3 até que o contato é observado.
    5. Opcional: Use curso de movimento para ajustar o espaçamento entre a ponta e a amostra de modo que o contacto ocorre a baixas tensões (0 - 10 V aplicada na Z piezo).
    6. Uma vez que não há contacto, repetir os passos 4.6.2-4.6.3 em vários locais, a fim de determinar os ângulos de inclinação da superfície e para definir o plano da amostra, em relação ao sensor.
  7. Varrer a tensão nos elementos piezoeléctricos X e Y de modo a mover-se a amostra em relação ao sensor. Digitalizar a uma altura constante acima da amostra, sem contacto entre a ponta e a amostra, a fim de mapear a distribuição de vórtice. Atingir uma altura constante de digitalização, alterando a tensão sobre o piezo Z de acordo com os locais X e Y, e ao plano definido em 4.6.
  8. Escolha um vórtice e digitalizar around-lo para determinar com precisão a localização do seu centro. Note-se que a localização vortex é relativo ao ciclo de captação da lula, não ao ponto de contacto.
  9. Vire SQUID off.
  10. Aplicar uma tensão que é maior do que a tensão de aterragem ao piezo e ou z torneira ao lado do centro do vórtice ou varrer o vórtice, arrastando o sensor (em contacto com a amostra) lentamente sobre a amostra a um local desejado. O vórtice vai avançar para a torneira ou na direção de varredura. Os valores típicos para adicionar à tensão piezoeléctrica aplicada z são 2-5 V.
  11. Vire SQUID diante.
  12. Imagem novamente a uma altura constante, sem contacto para localizar a nova localização do vórtice.

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Representative Results

O protocolo foi testado com sucesso em milhares de vórtices individuais, bem separadas em duas amostras de Nb, e nove amostras de NBN. Geramos novos vórtices sobre a mesma amostra por aquecimento da amostra acima de Tc, e arrefecendo-o de volta para 4,2 K na presença de um campo magnético. Nós escolhemos o campo magnético externo para atingir a densidade desejada vórtice. Mostramos aqui dados a partir destas experiências. Estes resultados foram descritos em detalhe por Kremen et ai. 11.

O protocolo aqui descrito, permite a manipulação controlável de vórtices em várias configurações (Figura 2). Vórtices individuais foram movidas em distâncias de até 1 mm (Figura 3), e manteve-se estável em seus novos locais.

figura 1
Figura 1. Sistema de Digitalização SQUID. (A) A cabeça de leitura. (B) foto ampliada da área circulada em (a). (C) ângulo de frente Sample-sensor. Os ângulos a e β entre o chip e o seu reflexo a partir da amostra deve ser igual em ambos os lados. (D) O ângulo de alinhamento escolhido entre o sensor e a amostra. O ângulo entre o chip e a reflexão é duas vezes o ângulo desejado, o qual deve ser, pelo menos, 4 °. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2
Figura 2. Manipulação de vórtices para formar a letra B. (a) configuração inicial após o arrefecimento da amostra na presença de magnecampo tic. (B) A nova configuração após mover os vórtices, na forma da letra B. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3
Figura 3. Várias manipulações de um único vórtice, arrastando-o sobre uma distância de 820 m. Detalhe: (a) Um único vórtice. A forma buraco da fechadura é devido a convolução entre o sinal magnético e função propagação do ponto do sensor. (B) Uma varredura em contato com o SQUID ligado. A localização inicial do vórtice está à esquerda da figura. O pico do sinal se move para a direita com o vórtice, até que o vórtice é realocado na extremidade direita e não se move mais. (C) Um esboço de uma varredura em contato. oponta do sensor é o primeiro a fazer o contacto com a amostra, ao passo que a localização do vortex recebido da verificação é relativo à linha de captação, o que é compensado a partir da ponta. Por favor clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

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Discussion

manipulação bem sucedida de vórtices depende de vários passos críticos. É importante para alinhar o sensor a um ângulo, de tal modo que a ponta do chip será o primeiro a fazer o contacto com a amostra. Em segundo lugar, é importante notar que a força exercida sobre a amostra é determinada pelas propriedades mecânicas do cantilever que o chip é montado. No regime elástica, a força exercida é proporcional à deflexão, X, de acordo com a lei de Hooke:
F = -kx

Onde k é a constante da mola, determinado pelo módulo de Young do material, e as suas dimensões físicas, e é dada pela
k = Et 3 W / 4l 3

Aqui, E é o módulo de Young, t é a espessura do feixe, W é a largura e L é o comprimento. Por um braço de suporte de cobre, E = 117 GPa. O nosso cantilever era 0,017 mm de espessura, 3 mm de largura e 10,7 mm de comprimento, o que dá k = 0,35 N / m. Quando a tensão na piezo Z era um V Below aterragem, a deflexão foi de 1,6 mm. Isto dá uma força de 0,56 μN. É importante a escolha do material e as dimensões adequadamente cantilever, para obter a força desejada.

É também importante notar que a localização do vórtice, como as exploradas pelo SQUID é relativo à linha de captação, e que o ponto de contacto é deslocado a partir do circuito de captação de acordo com o tamanho do chip e o polimento. Este deslocamento está a ser considerado quando se escolher o local do evento da torneira, ou a verificação de contacto, para assegurar que a ponta de contacto do chip torna perto do local de vórtice.

Se um vórtice não foi deslocada após a digitalização em contato, aplicando mais pressão, empurrando a ponta mais difícil na amostra, pressionando a amostra por um período mais longo ou arrastando a ponta mais lentamente em toda a amostra pode ajudar a superar a força de fixação e deslocar o vórtice.

A amostra não mostrou memória dos manipulatiem; não se observou alteração no diamagnetism da amostra, correspondente à densidade superfluida, assim como nenhuma mudança para a topografia da amostra. Novas configurações de vórtice criado após o reaquecimento e arrefecimento na presença do campo magnético não mostraram memória de manipulações anteriores quer 11.

O nosso método é limitado pelo tamanho do ponto de contacto. A técnica tem o potencial para afinar a localização de vórtices, mas até agora têm demonstrado as habilidades do protocolo para bastante grandes dicas, polidas do chip (de 100 nm até 1 mm). Caracterização da ponta é necessária, a fim de conhecer os gradientes de tensão.

Em conclusão, o nosso protocolo permite a manipulação de vórtices individuais de películas finas supercondutoras a temperaturas baixas e sem mais fabricação da amostra. O domínio da capacidade de controlar o local de vórtices podem ter aplicações na concepção deflux portas lógicas base, assim como no estudo de interacções de vórtices com outros vórtices, a estrutura, e outras partículas magnéticas.

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Acknowledgements

Agradecemos a A. Sharoni da Universidade de Bar-Ilan para a prestação dos filmes supercondutores. Esta pesquisa foi apoiada pelo Conselho Europeu de Investigação Grant ERC-2014-STG- 639.792, Integração Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, e Israel Science Foundation Grant 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).
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  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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