Escaneado de Estudio SQUID de la manipulación del vórtice por contacto 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

Los vórtices son objetos magnéticos a nanoescala, formados en los superconductores de tipo 2 en presencia de un campo magnético externo. En una muestra libre de defectos, los vórtices pueden moverse libremente. Sin embargo, diferentes defectos en el resultado material en las regiones de la reducción de la superconductividad que son energéticamente favorable para vórtices. Vórtices tienden a decorar estas regiones, también conocidos como los sitios de colocación de clavos. En este caso, la fuerza requerida para mover un vórtice debe ser mayor que la fuerza de fijación. Propiedades de los vórtices, tales como la densidad de vórtice, fuerza de interacción y la gama, se pueden determinar fácilmente por el campo externo, la temperatura, o la geometría de la muestra. La capacidad de controlar estas propiedades ellos un buen sistema modelo para el comportamiento de la materia condensada que puede ser sintonizado con facilidad, así como candidatos adecuados para aplicaciones electrónicas 1, 2 hace. El control de la ubicación de los vórtices individuales es esencial para el diseño de tales loelementos gicas.

El control mecánico de las nanopartículas magnéticas se había logrado antes. Kalisky et al. Recientemente se usa superconductor de interferencia cuántica dispositivo de exploración (SQUID) para estudiar la influencia de la tensión mecánica local en parches ferromagnéticos en las interfaces de óxidos complejos 3. Fueron capaces de cambiar la orientación del parche en los escaneos en contacto, presionando la punta de la SQUID en la muestra, la aplicación de una fuerza de hasta 1 μN en el proceso. Hemos utilizado un método similar en el protocolo con el fin de mover los vórtices.

En los estudios existentes de manipulación de vórtice, el movimiento se consigue mediante la aplicación de corriente a la muestra, creando así Lorentz fuerza 4, 5, 6. Si bien este método es eficaz, no es local, y con el fin de controlar un único vórtice, se requiere la fabricación adicional. Los vórtices pueden ser también manipulated mediante la aplicación de campo magnético externo, por ejemplo, con un microscopio de fuerza magnética (MFM) o con una bobina de campo SQUID 7, 8. Este método es eficaz y local, pero la fuerza aplicada por estas herramientas es pequeño, y puede superar la fuerza de la fijación sólo a altas temperaturas, cerca de la temperatura crítica del superconductor. El protocolo permite la manipulación eficaz, locales a bajas temperaturas (4 K) sin fabricación adicional de la muestra.

Nos vórtices de imagen utilizando microscopía de barrido SQUID. El sensor se fabrica sobre un chip de silicio que está pulido en una esquina, y se pega en un voladizo flexible. El voladizo se utiliza para la detección capacitiva de la superficie. El chip se coloca en un ángulo a la muestra, de modo que el punto de contacto está en la punta del chip. Aplicamos fuerzas de hasta 2 μN empujando el chip en la muestra. Movemos la muestra en relación con el SQUID por elementos piezoeléctricos. Nos movemosel vórtice tocando la punta de silicio junto a un vórtice, o mediante el barrido de ella, tocando el vórtice.

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Protocol

1. El acceso a un sistema de escaneo SQUID

  1. Utilice un sistema SQUID de exploración que incluye un sensor SQUID fabricado en un chip 9, 10, stick slip etapa de movimiento gruesa, y un escáner basado en piezo para el movimiento fino. Ver Figura 1.
  2. Pulir el chip SQUID en una esquina alrededor del circuito de recogida. El material del chip debe ser eliminado todo el camino hasta el bucle de recogida.
    1. pulir suavemente el SQUID, usando un papel de pulido no magnético 5-0,5 micras.
      NOTA: Después de la etapa de pulido del bucle de recogida puede ponerse en estrecha proximidad o contacto, con la muestra.

2. El depósito de niobio (Nb) de película delgada con Sputtering actual continua (CC)

  1. Obtener un sustrato. En este trabajo, usar un sustrato de silicio dopado con boro con 500 nm de óxido de silicio. Son posibles otros sustratos tales como SrTiO y MgO.
  2. Llegar a una base de pressuRE, de 10 -7 Torr en la cámara. Pre-pulverización catódica la cámara de evaporación a temperatura ambiente con un objetivo Nb 99,95%, en un ambiente de argón a una presión de 2,4 mTorr con una velocidad de deposición de 1,8 Å / s para 10 min. Tenga en cuenta que el proceso de deposición puede empezar sólo cuando la presión de base en la cámara es inferior a 10 -7 Torr. Si la presión es más alta de repetición de la fase previa a la pulverización catódica.
  3. Coloque sustrato en la cámara.
  4. Depósito Nb película delgada por bombardeo iónico a temperatura ambiente a partir de un blanco de Nb 99,95%, en un ambiente de argón a presión de 2,4 mTorr con una velocidad de deposición de 1,8 Å / s.

La alineación de la muestra 3.-tip

  1. En esta etapa, alinear el chip sensor con la muestra de manera que la punta del chip hace contacto con la muestra cuando se mueve los vórtices. Para lograr esto, utilizar un ángulo de alineación de al menos 4 °.
  2. Pegar un voladizo flexibles sobre una placa conductora con una capa dieléctrica. A continuación, pegar el chi SQUIDp en el voladizo. La capacitancia entre el voladizo y una placa estática determina el contacto con la muestra y la medida de la tensión aplicada.
  3. Cargar la muestra en el microscopio. Pegue la muestra a una muestra designada montaje utilizando un barniz o plata pasta. Pegar el montaje al elemento piezo Z (Figura 1a).
  4. Conectar el sistema de movimiento gruesa oscilaciones de relajación a un controlador.
  5. Configurar imágenes ópticas desde dos ángulos - la parte delantera y el lado del chip. Use dos telescopios colocados en etapas de traducción, dirigidas a la parte frontal del chip y uno de sus lados.
  6. Usando el stick slip etapa de movimiento grueso Z, mover la muestra a una distancia de 1 m desde el sensor, de manera que la reflexión del sensor es visible en la muestra.
    NOTA: El contacto entre la muestra y el sensor en esta etapa pueden dañar el SQUID.
  7. Mover la muestra de 0,5 - 1 mm de distancia del sensor con la etapa de palo de Z deslizamiento del movimiento del robot para evitar daños a la SLIBRA.
  8. Girar la tornillos de alineación (Figura 1a) para obtener los ángulos delanteros iguales (es decir, los ángulos de los lados de la punta del chip hacen con su reflexión, como se ve en la Figura 1c).
  9. Mover la muestra a una distancia de 1 m desde el sensor. Compruebe los ángulos y repita el paso 3.7 y 3.8 si es necesario.
  10. Girar los tornillos de alineación para conseguir un ángulo de 4 grados entre el sensor y la muestra (Figura 1d). Asegúrese de que la punta del chip es la parte que hace contacto con la muestra.

4. mediciones

  1. Cargar el cabezal de escaneo (Figura 1a) a un sistema de refrigeración 4 K.
    NOTA: cabeza de exploración debe estar conectado a un plato frío, y rodeado de una lata de vacío. Cablear una bobina alrededor de la lata para la aplicación de campo magnético externo (bajos campos de varios Gauss son suficientes para este estudio). Cubrir esta configuración con un escudo Mu-metal.
  2. Enfriar en la presencia de magnecampo tic, mediante la aplicación de corriente a través de la bobina que rodea el microscopio. Elige la intensidad de campo cuidadosamente para conseguir la densidad deseada vórtice. Utilice 1Φ 0 = 20,7 g / m 2 para calcular el campo de tiempo de reutilización. Por ejemplo, para 10 vórtices en una zona micras 10 micras por 10, se aplican 2,07 G.
  3. Para cambiar a una nueva muestra de calor densidad vórtice encima de la temperatura de transición superconductora (para Nb, caliente a más de 10 K). Aplicar el nuevo campo.
  4. muestra fresca a 4,2 K.
  5. Girar el campo magnético fuera. Girar el SQUID.
  6. Mover la muestra cerca de la SQUID usando el sistema de movimiento gruesa oscilaciones de relajación.
    1. Aplique tensiones crecientes en el cubo Z-oscilaciones de relajación para mover la muestra más cercana al chip SQUID.
    2. Aplicar la tensión entre la palanca y la placa para la lectura de la capacitancia utilizando un puente de capacitancia (0,1-1 V típicamente).
    3. Barra el voltaje en el elemento piezo Z. Medir la capacitancia entre el voladizo y el platmi. Si se produce un gran cambio en la capacitancia, la muestra está en contacto con el chip de SQUID.
    4. Si la muestra no hizo contacto con el chip, repita los pasos 4.6.1-4.6.3 hasta que se observa el contacto.
    5. Opcional: Utilice movimiento curso para ajustar el espacio entre la punta y la muestra de manera que el contacto se produce a bajas tensiones (0 - 10 V aplicada sobre el piezo Z).
    6. Una vez que hay contacto, repita los pasos 4.6.2-4.6.3 en varios lugares con el fin de determinar los ángulos de inclinación de la superficie y para definir el plano de la muestra, en relación con el sensor.
  7. Barra el voltaje en los X e Y piezoeléctricos elementos con el fin de mover la muestra en relación con el sensor. Analiza a una altura constante por encima de la muestra, sin contacto entre la punta y la muestra, con el fin de mapa de distribución de vórtice. Lograr una altura de exploración constante cambiando la tensión en el piezo Z de acuerdo con las ubicaciones X e Y, y al plano definido en 4.6.
  8. Elija un vórtice y escanear around para determinar con precisión la ubicación de su centro. Tenga en cuenta que la ubicación del vórtice es relativo al bucle de captación del SQUID, no hasta el punto de contacto.
  9. Girar SQUID fuera.
  10. Aplicar una tensión que es mayor que la tensión de toma de contacto para el piezo y, o bien del grifo z lado del centro de vórtice o barrer el vórtice arrastrando el sensor (en contacto con la muestra) lentamente en la muestra a un lugar deseado. El vórtice se moverá hacia el grifo o en la dirección de barrido. Los valores típicos para agregar a la tensión aplicada son piezo z 2-5 V.
  11. Girar el SQUID.
  12. Image de nuevo a una altura constante sin contacto para localizar la nueva ubicación del vórtice.

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Representative Results

Nuestro protocolo fue probado con éxito en miles de vórtices individuales, bien separados en dos muestras de Nb, y nueve muestras de NbN. Generamos nuevos vórtices sobre la misma muestra por calentamiento de la muestra por encima de Tc, y enfriarlo de nuevo a 4,2 K en presencia de un campo magnético. Elegimos el campo magnético externo para lograr la densidad deseada de vórtice. Mostramos aquí los datos de estos experimentos. Estos resultados se han descrito en detalle por Kremen et al. 11.

El protocolo descrito aquí permite la manipulación controlable de vórtices en varias configuraciones (Figura 2). Vórtices individuales fueron trasladados a distancias de hasta 1 mm (figura 3), y se mantuvieron estables en sus nuevas ubicaciones.

Figura 1
Figura 1. Sistema de la exploración SQUID. (A) La cabeza de exploración. (B) la foto ampliada del área de un círculo en (a). (C) el ángulo frontal de muestreo del sensor. Los ángulos alfa y β entre el chip y su reflexión de la muestra debe ser igual en ambos lados. (D) El ángulo de alineación elegido entre el sensor y la muestra. El ángulo entre el chip y el reflejo es dos veces el ángulo deseado, que debe ser al menos 4 °. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2
Figura 2. La manipulación de vórtices para formar la letra B. (a) La configuración inicial después de enfriar la muestra en presencia de magnecampo de tic. (B) Una nueva configuración después de mover los vórtices, en la forma de la letra B. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

figura 3
Figura 3. Varias manipulaciones de un único vórtice, arrastrándolo a una distancia de 820 m. Recuadro: (a) un único vórtice. La forma de ojo de cerradura se debe a la convolución entre la señal magnética y la función de dispersión de punto del sensor. (B) Una exploración en contacto con el SQUID encendido. La ubicación inicial del vórtice está a la izquierda de la imagen. El pico de la señal se mueve hacia la derecha con el vórtice, hasta que el vórtice se volvió a poner en el extremo derecho y ya no se mueve. (C) Un bosquejo de una exploración en contacto. lospunta del sensor es la primera para hacer contacto con la muestra, mientras que la ubicación vórtice recibido de la exploración está en relación con el bucle de recogida, que está desplazado de la punta. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

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Discussion

la manipulación exitosa de vórtices depende de varios pasos críticos. Es importante para alinear el sensor en un ángulo, de tal manera que la punta del chip será el primero en entrar en contacto con la muestra. En segundo lugar, es importante tener en cuenta que la fuerza ejercida sobre la muestra se determina por las propiedades mecánicas del voladizo que el chip está montado. En el régimen elástico, la fuerza aplicada es proporcional a la desviación, x, de acuerdo con la ley de Hooke:
F = kx

Donde k es la constante del resorte, determinada por el módulo de Young del material, y sus dimensiones físicas, y está dada por
k = Et 3 w / 4L 3

Aquí, E es el módulo de Young, t es el espesor de la viga, w es la anchura y l es la longitud. Para un voladizo de cobre, E = 117 GPa. Nuestra voladizo era 0,017 mm de espesor, 3 mm de ancho y 10,7 mm de largo, que da k = 0,35 N / m. Cuando la tensión en el piezo Z era 1 V Below momento del aterrizaje, la desviación fue de 1,6 micras. Esto le da una fuerza de 0,56 μN. Es importante elegir el material en voladizo y dimensiones adecuadamente, para conseguir la fuerza deseada.

También es importante tener en cuenta que la ubicación del vórtice como escaneado por el SQUID es relativo al bucle de captación, y que el punto de contacto se desplaza desde el bucle de recogida de acuerdo con el tamaño del chip y el pulido. Este desplazamiento es de tenerse en cuenta al elegir la ubicación del evento del grifo, o la exploración de contacto, para asegurar que la punta del chip hace contacto cerca de la posición del vórtice.

Si un vórtice no fue desplazada después de escanear en contacto, aplicando más presión empujando la punta más difícil en la muestra, al presionar la muestra durante un período más largo o arrastrando la punta más lentamente a través de la muestra puede ayudar a superar la fuerza de fijación y dislocar el vórtice.

La muestra no mostró memoria de los manipulatien; se observó ningún cambio en el diamagnetismo de la muestra, correspondiente a la densidad superfluido, así como ningún cambio en la topografía de la muestra. Nuevas configuraciones de vórtice creado después del recalentamiento y la refrigeración en la presencia de un campo magnético no mostraron memoria de manipulaciones anteriores ya sea 11.

Nuestro método está limitada por el tamaño del punto de contacto. La técnica tiene el potencial para el ajuste fino de la ubicación de los vórtices, pero hasta ahora no se ha demostrado la capacidad del protocolo para las extremidades más bien grandes, pulido del chip (de 100 nm hasta 1 micra). será necesaria la caracterización de la punta con el fin de conocer los gradientes de deformación.

En conclusión, nuestro protocolo permite la manipulación de los vórtices individuales de películas delgadas superconductoras a temperaturas bajas y sin más la fabricación de la muestra. El dominio de la capacidad de controlar la ubicación de vórtices puede tener aplicaciones en el diseño deflujo puertas lógicas en base, así como en el estudio de las interacciones de los vórtices con otros vórtices, la celosía, y otras partículas magnéticas.

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Acknowledgements

Agradecemos a A. Sharoni de la Universidad Bar-Ilan de proporcionar las películas superconductoras. Esta investigación fue apoyada por el Consejo Europeo de Investigación subvención del CEI-2014-STG- 639792, Integración Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, e Israel Science Foundation de subvención 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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  9. Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704 (2008).
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