La scansione SQUID Studio di Vortex manipolazione da locale Contatto

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

Vortici sono oggetti magnetici su scala nanometrica, costituite tipo 2 superconduttori in presenza di campo magnetico esterno. In un campione privo di difetti, vortici possono muoversi liberamente. Tuttavia, diversi difetti nel risultato materiale in regioni di superconduttività ridotta che sono energeticamente favorevole per vortici. Vortici tendono a decorare queste regioni, noti anche come i siti di pinning. In questo caso, la forza necessaria per spostare un vortice deve essere maggiore della forza pinning. Proprietà di vortici, come la densità vortice, forza di interazione e gamma, possono essere facilmente determinati dal campo esterno, la temperatura o la geometria del campione. La capacità di controllare queste proprietà loro un buon sistema modello per il comportamento materia condensata che può essere facilmente regolato, nonché idonei per applicazioni elettroniche 1, 2 rende. Il controllo della posizione dei singoli vortici è essenziale per la progettazione di tale loElementi gici.

Controllo meccanico delle nanoparticelle magnetiche era stato raggiunto prima. Kalisky et al. recentemente utilizzato scansione superconduttori dispositivo interferenza quantistica (SQUID) per studiare l'influenza di stress meccanico locale sulla patch ferromagnetici nelle interfacce di ossidi complessi 3. Sono stati in grado di cambiare l'orientamento del patch di scansione a contatto, premendo la punta del SQUID nel campione, applicando una forza di fino a 1 μN nel processo. Abbiamo usato un metodo simile nel nostro protocollo per spostare vortici.

In studi esistenti di manipolazione vortice, movimento è stata ottenuta applicando corrente al campione, creando così Lorentz forza 4, 5, 6. Mentre questo metodo è efficace, non è locale, e per controllare un singolo vortice, è necessaria fabbricazione aggiuntivo. Vortici possono anche essere manipulated applicando campo magnetico esterno, per esempio con un microscopio a forza magnetica (MFM) o con una bobina di campo SQUID 7, 8. Questo metodo è efficace e locale, ma la forza applicata da questi strumenti è piccola, e può superare la forza pinning solo ad alte temperature, vicino alla temperatura critica del superconduttore. Il nostro protocollo permette efficace, manipolazione locale a basse temperature (4 K) senza ulteriore realizzazione del campione.

Abbiamo vortici di immagini usando la microscopia a scansione SQUID. Il sensore è fabbricato in un chip di silicio che è lucidato in un angolo, e incollato su un cantilever flessibile. Il cantilever viene utilizzato per il rilevamento capacitivo della superficie. Il chip è posto ad un angolo al campione, in modo che il punto di contatto è sulla punta del chip. Applichiamo forze fino a 2 μN spingendo il chip nel campione. Si passa il campione relativo al SQUID da elementi piezoelettrici. Ci muoviamoil vortice toccando la punta di silicio accanto ad un vortice, o da spazzare esso, toccando il vortice.

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Protocol

1. L'accesso a un sistema di scansione SQUID

  1. Utilizzare un sistema SQUID di scansione che comprende un sensore SQUID fabbricato su un chip 9, 10, stick slip fase di movimento grossolana, e uno scanner piezo-based per motion fine. Vedere la Figura 1.
  2. Lucidare il chip SQUID in un angolo intorno al ciclo pickup. Il materiale del chip deve essere rimosso fino al prelievo del cappio.
    1. lucidare delicatamente il SQUID, utilizzando una carta di lucidatura 5-0,5 micron non magnetico.
      NOTA: Dopo la fase di lucidatura del ciclo pick-up può essere portato in prossimità, o contatto, con il campione.

2. Deposizione di niobio (Nb) Thin Film con corrente continua (DC) di polverizzazione

  1. Ottenere un substrato. In questo lavoro, utilizzare un substrato di silicio di boro drogato con 500 nm di ossido di silicio. Altri substrati come SrTiO e MgO sono possibili.
  2. Raggiungere una base di PRESSUre di 10 -7 Torr nella camera. Pre-sputter camera di evaporazione a temperatura ambiente con un obiettivo Nb 99,95%, in ambiente argon ad una pressione di 2,4 mTorr con una velocità di deposizione di 1,8 Å / s per 10 min. Si noti che il processo di deposizione può iniziare solo quando la pressione nella camera di base è inferiore a 10 -7 Torr. Se la pressione è più alta ripetere la fase di pre-sputtering.
  3. Posizionare substrato nella camera.
  4. Deposito Nb film sottile per sputtering a temperatura ambiente su un bersaglio Nb 99,95%, in ambiente argon ad una pressione di 2,4 mTorr con una velocità di deposizione di 1,8 Å / s.

3. Il campione-tip Allineamento

  1. In questa fase, allineare il sensore chip con il campione in modo che la punta del chip entra in contatto con il campione che si spostano i vortici. Per ottenere questo, utilizzare un angolo di allineamento di almeno 4 °.
  2. Colla un cantilever flessibile su una piastra di condotta con uno strato dielettrico. Quindi, incollare il chi SQUIDp sul cantilever. La capacità tra il cantilever e una piastra statico determina il contatto con il campione e la portata della sollecitazione applicata.
  3. campione del carico sul microscopio. Incollare il campione ad un campione designato montaggio utilizzando una pasta vernice o argento. Incollare il supporto per l'elemento Z piezoelettrico (Figura 1a).
  4. Collegare il sistema di movimento grossolano stick slip a un controller.
  5. Impostare imaging ottico da due angolazioni - parte anteriore e il lato del chip. Utilizzare due telescopi posti su fasi di traduzione, diretto verso la parte anteriore del chip e uno dei suoi lati.
  6. Utilizzando il stick slip fase di movimento grossolani Z, spostare il campione ad una distanza di 1 micron dal sensore, in modo che la riflessione del sensore è visibile sul campione.
    NOTA: Il contatto tra il campione e il sensore in questa fase possono danneggiare la SQUID.
  7. Spostare il campione di 0,5 - 1 mm di distanza dal sensore utilizzando la fase Z stick slip movimento grossolana per evitare di danneggiare l'SQUID.
  8. Ruotare le viti di allineamento (Figura 1a) per ottenere angoli anteriori uguali (cioè, angoli ai lati della punta del chip fanno con la sua riflessione, come si vede in Figura 1c).
  9. Spostare il campione ad una distanza di 1 micron dal sensore. Controllare gli angoli e ripetere il punto 3.7 e 3.8, se necessario.
  10. Ruotare le viti di allineamento per ottenere un angolo di 4 gradi tra il sensore e il campione (Figura 1d). Assicurarsi che la punta del chip è la parte che entra in contatto con il campione.

4. Misure

  1. Caricare la testa di scansione (Figura 1a) ad un sistema 4 K raffreddamento.
    NOTA: Testina di scansione deve essere collegato a un piatto freddo, e circondato da una lattina di vuoto. Collegare una bobina attorno alla latta di applicazione di campo magnetico esterno (bassi campi di vari Gauss sono sufficienti per questo studio). Coprire questa configurazione con uno scudo Mu-metal.
  2. Raffreddare in presenza di magnecampo tic, applicando corrente attraverso la bobina che circonda il microscopio. Scegliere accuratamente l'intensità di campo per ottenere la densità desiderata vortex. Utilizzare 1Φ 0 = 20,7 G / micron 2 per calcolare il campo cooldown. Ad esempio, per 10 vortici in 10 micron dalla superficie 10 um, applicano 2.07 G.
  3. Per il passaggio ad un nuovo campione di calore densità vortice di sopra della temperatura di transizione superconduttore (per NB, di calore superiore a 10 K). Applicare il nuovo campo.
  4. Raffreddare campione a 4,2 K.
  5. Girare campo magnetico fuori. Accendere SQUID su.
  6. Spostare il campione vicino al SQUID utilizzando il sistema di movimento grossolano stick slip.
    1. Applicare tensioni crescenti sul cubo Z-stick slip per spostare il campione più vicino al chip SQUID.
    2. Applicare la tensione tra la mensola e la piastra per leggere la capacità utilizzando un ponte capacità (0,1-1 V tipicamente).
    3. Sweep la tensione sull'elemento Z piezoelettrico. Misurare la capacità tra la mensola e la piattaformae. Se si verifica una grande variazione della capacità, il campione è in contatto con il chip SQUID.
    4. Se il campione non ha fatto il contatto con il chip, ripetere i punti 4.6.1-4.6.3 fino a quando si osserva il contatto.
    5. Opzionale: Utilizzare motion corso per regolare la distanza tra la punta e il campione in modo che il contatto avviene a basse tensioni (0 - 10 V applicata al piezo Z).
    6. Una volta che vi sia un contatto, ripetere i punti 4.6.2-4.6.3 in diverse posizioni per determinare gli angoli di inclinazione della superficie e per definire il piano del campione, rispetto al sensore.
  7. Sweep la tensione sugli elementi X e Y piezoelettrici per spostare il campione rispetto al sensore. Scansione ad un'altezza costante sopra il campione, senza contatto tra la punta e il campione, per mappare la distribuzione vortice. Ottenere una altezza scansione costante variando la tensione sul piezo Z secondo le posizioni X e Y, e al piano definito in 4.6.
  8. Scegli un vortice e scansione arouND di determinare con precisione la posizione del suo centro. Si noti che la posizione vortice è relativo al prelievo del cappio del SQUID, non al punto di contatto.
  9. Girare SQUID off.
  10. Applicare una tensione che è superiore alla tensione touchdown alla z piezo eo rubinetto vicino al centro del vortice o spazzare il vortice trascinando il sensore (a contatto con il campione) lentamente il campione ad una posizione desiderata. Il vortice si muoverà verso il rubinetto o in senso ampio. Valori tipici per aggiungere alla tensione piezo z applicata sono 2-5 V.
  11. Accendere SQUID su.
  12. Immagine nuovamente ad un'altezza costante senza contatto per individuare la nuova posizione del vortice.

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Representative Results

Il nostro protocollo è stato testato con successo su migliaia di singoli, vortici ben separati in due campioni di Nb, e nove campioni di NbN. Noi generiamo nuovi vortici sullo stesso campione riscaldando il campione sopra Tc, e raffreddamento di nuovo a 4,2 K in presenza di un campo magnetico. Abbiamo scelto il campo magnetico esterno per ottenere la densità desiderata vortex. Mostriamo qui i dati da questi esperimenti. Questi risultati sono stati descritti in dettaglio da Kremen et al. 11.

Il protocollo qui descritto consente di manipolare verificabile dei vortici in varie configurazioni (Figura 2). Vortici singoli sono stati spostati su distanze fino a 1 mm (figura 3), e sono rimasti stabili nelle loro nuove posizioni.

Figura 1
Figura 1. Sistema di scansione SQUID. (A) La testa di scansione. (B) photo ingrandita dell'area cerchiata in (a). (C) l'angolo anteriore Campione-sensore. Gli angoli alfa e β tra il chip e la sua riflessione dal campione dovrebbe essere uguale su entrambi i lati. (D) L'angolo dell'allineamento scelto tra il sensore e il campione. L'angolo tra il chip e la riflessione è due volte l'angolo desiderato, che deve essere di almeno 4 °. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

figura 2
Figura 2. La manipolazione di vortici per formare la lettera B. (a) La configurazione iniziale dopo raffreddamento del campione in presenza di magnecampo tic. (B) Una nuova configurazione dopo lo spostamento dei vortici, nella forma della lettera B. Si prega di cliccare qui per vedere una versione più grande di questa figura.

Figura 3
Figura 3. Più manipolazioni di un singolo vortice, trascinandolo su una distanza di 820 micron. Nel riquadro: (a) Un unico vortice. La forma toppa è dovuto alla convoluzione tra il segnale magnetico e funzione del punto di diffusione del sensore. (B) Una scansione in contatto con il SQUID acceso. La posizione iniziale del vortice è a sinistra dell'immagine. Il picco del segnale si sposta verso destra con il vortice, finché il vortice è trasferito all'estremità destra e non si muove. (C) Uno schizzo di una scansione a contatto. Ilpunta del sensore è il primo a fare contatto con il campione, mentre la posizione del vortice ricevuto dalla scansione è relativo al ciclo di prelievo, che viene compensata dalla punta. Clicca qui per vedere una versione più grande di questa figura.

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Discussion

manipolazione di successo di vortici dipende da diversi passaggi critici. È importante allineare il sensore ad un angolo, in modo che la punta del chip sarà il primo a fare contatto con il campione. In secondo luogo, è importante notare che la forza esercitata sul campione è determinata dalle proprietà meccaniche del cantilever che il chip è montato. Nel regime elastica, la forza applicata è proporzionale alla deflessione, x, secondo la legge di Hooke:
F = -kx

Se k è la costante elastica, determinata dal modulo di Young del materiale, e le sue dimensioni fisiche, ed è dato da
k = Et 3 w / 4l 3

Qui, E è il modulo di Young, t è lo spessore della trave, w è la larghezza e l è la lunghezza. Per un cantilever in rame, E = 117 GPa. Il nostro sbalzo era 0,017 mm di spessore, larghezza di 3 mm e lunga 10,7 mm, che danno k = 0,35 N / m. Quando la tensione nel piezo Z è 1 V below touchdown, la deflessione era 1.6 micron. Questo dà una forza di 0,56 μN. È importante scegliere il materiale e le dimensioni cantilever correttamente, per ottenere la forza desiderata.

E 'anche importante notare che la posizione del vortice come analizzata dal SQUID è relativo al ciclo di prelievo, e che il punto di contatto si sposta dalla spira pickup base alle dimensioni del chip e la lucidatura. Questo spostamento deve essere rappresentato nella scelta della posizione dell'evento rubinetto, o la scansione di contatto, per assicurare che la punta del chip fa contatto vicino alla posizione vortice.

Se un vortice non era spostata dopo la scansione a contatto, applicando più stress spingendo la punta più difficile nel campione, premendo il campione per un periodo più lungo o trascinando la punta più lentamente nel campione possono contribuire a superare la forza pinning e disloca vortice.

Il campione non ha mostrato la memoria dei manipulatisopra; abbiamo osservato alcun cambiamento nella diamagnetism del campione, corrispondente alla densità di superfluido, così come nessun cambiamento alla topografia del campione. Le nuove configurazioni vortice creati dopo il riscaldamento e raffreddamento in presenza di campo magnetico non ha mostrato memoria delle manipolazioni precedenti sia 11.

Il nostro metodo è limitata dalla dimensione del punto di contatto. La tecnica ha il potenziale per la messa a punto la posizione dei vortici, ma finora abbiamo dimostrato le capacità del protocollo per piuttosto grandi, consigli lucide del chip (da 100 nm fino a 1 micron). Caratterizzazione della punta è necessaria al fine di conoscere i gradienti di deformazione.

In conclusione, il protocollo consente di manipolare singoli vortici in superconduttori film sottili a basse temperature e senza ulteriore realizzazione del campione. Padroneggiare la capacità di controllare la posizione dei vortici può avere applicazioni nella progettazione diflusso porte logiche basate, così come nello studio di interazioni di vortici con altri vortici, reticolo, e altre particelle magnetiche.

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Acknowledgements

Ringraziamo A. Sharoni da Bar-Ilan University per la fornitura dei film superconduttori. Questa ricerca è stata sostenuta dal Consiglio europeo della ricerca sovvenzione CER-2014-STG- 639792, integrazione Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333.799, e Israele 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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