Numérisation Etude SQUID de Vortex Manipulation par contact 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

Tourbillons sont des objets magnétiques à l'échelle nanométrique, formés dans le type 2 supraconducteurs en présence d'un champ magnétique externe. Dans un échantillon de défaut libre, tourbillons peuvent se déplacer librement. Toutefois, les différents défauts dans le résultat matériel dans les régions de la supraconductivité réduite qui sont énergétiquement favorables à tourbillons. Tourbillons ont tendance à décorer ces régions, aussi connu que les sites épinglage. Dans ce cas, la force nécessaire pour déplacer un tourbillon doit être supérieure à la force de pinning. Propriétés de tourbillons, comme la densité de vortex, la force d'interaction et de la gamme, peuvent être facilement déterminées par le champ externe, la température, ou de la géométrie de l'échantillon. La capacité de contrôler ces propriétés eux un bon modèle pour le comportement condensé de la matière qui peut être facilement réglé, ainsi que des candidats appropriés pour des applications électroniques 1, 2 fait. Contrôle de l'emplacement des tourbillons individuels est essentielle pour la conception d'un tel loéléments. giques

Le contrôle mécanique des nanoparticules magnétiques avait été atteint auparavant. Kalisky et al. récemment utilisé le balayage dispositif supraconducteur à interférence quantique (SQUID) pour étudier l'influence d' une contrainte mécanique locale sur les patchs ferromagnétiques dans les interfaces d'oxyde complexe 3. Ils ont été en mesure de changer l'orientation de la pièce par balayage en contact, en appuyant sur la pointe du SQUID dans l'échantillon, l'application d'une force allant jusqu'à 1 μN dans le processus. Nous avons utilisé une méthode similaire dans notre protocole afin de déplacer des tourbillons.

Dans les études actuelles de manipulation de vortex, le mouvement a été réalisée en appliquant un courant à l'échantillon, en créant ainsi la force de Lorentz 4, 5, 6. Bien que cette méthode soit efficace, il est pas local, et pour contrôler un tourbillon unique, de fabrication supplémentaire est nécessaire. Tourbillons peuvent également être Manipmenté par application d'un champ magnétique externe, par exemple avec un microscope à force magnétique (MFM) , soit avec une bobine de champ SQUID 7, 8. Ce procédé est efficace et locale, mais la force appliquée par ces outils est faible, et peut surmonter la force plaquant seulement à des températures élevées, à proximité de la température critique du supraconducteur. Notre protocole permet, la manipulation locale efficace à basse température (4 K) sans fabrication supplémentaire de l'échantillon.

Nous tourbillons d'image en utilisant la microscopie à SQUID. Le capteur est fabriqué sur une puce de silicium qui est poli dans un coin, et collé sur un bras de levier flexible. Cantilever est utilisé pour la détection capacitive de la surface. La puce est placée à un angle à l'échantillon, de sorte que le point de contact est à la pointe de la puce. Nous appliquons des forces allant jusqu'à 2 μN en poussant la puce dans l'échantillon. Nous passons l'échantillon par rapport au SQUID par des éléments piézoélectriques. Nous déménageonsle tourbillon en appuyant la pointe de silicium à côté d'un vortex, ou en balayant, de toucher le vortex.

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Protocol

1. L'accès à un système de SQUID de numérisation

  1. Utiliser un système de SQUID de balayage qui comprend un capteur de SQUID fabriqué sur une puce 9, 10, broutage stade de mouvement grossier, et un scanner à base piézo-pour mouvement fin. Voir Figure 1.
  2. Polonais la puce SQUID dans un coin autour de la boucle de ramassage. Le matériau de la puce doit être enlevé tout le chemin vers la boucle d'entraînement.
    1. polir doucement le SQUID, en utilisant un papier de polissage amagnétique 5 à 0,5 um.
      NOTE: Après l'étape de polissage de la boucle de ramassage peut être amené à proximité immédiate, ou le contact avec l'échantillon.

2. Dépôt de Niobium (Nb) Thin Film avec courant continu (CC) Pulvérisation

  1. Obtenir un substrat. Dans ce travail, en utilisant un substrat de silicium dopé au bore à 500 nm d'oxyde de silicium. D'autres substrats tels que SrTiO et MgO sont possibles.
  2. Atteindre un PRESSU de basere de 10 -7 Torr dans la chambre. Pré-pulvérisation cathodique de la chambre d'évaporation à la température ambiante avec une cible de Nb 99,95%, dans un environnement d'argon à une pression de 2,4 mTorr à une vitesse de dépôt de 1,8 Â / s pendant 10 min. A noter que le procédé de dépôt peut commencer que lorsque la pression de base dans la chambre est inférieure à 10 -7 Torr. Si la pression est répétée plus la phase de pré-pulvérisation.
  3. Placez substrat dans la chambre.
  4. Dépôt Nb film mince par pulvérisation cathodique à température ambiante d'une cible Nb 99,95%, dans un environnement d'argon à une pression de 2,4 mTorr avec un taux de 1,8 Å / s de dépôt.

Alignement 3. Sample-tip

  1. A ce stade, aligner la puce de capteur avec l'échantillon de telle sorte que la pointe de la puce est en contact avec l'échantillon lors du déplacement des tourbillons. Pour ce faire, utiliser un angle d'alignement d'au moins 4 °.
  2. Collez un cantilever flexible sur une plaque conductrice avec une couche diélectrique. Ensuite, collez le chi SQUIDp sur la console. La capacitance entre le cantilever et une plaque statique détermine le contact avec l'échantillon et la mesure de la contrainte appliquée.
  3. échantillon de charge sur le microscope. Collez l'échantillon à un échantillon désigné montage en utilisant une pâte de vernis ou d'argent. Collez le support à l'élément Z piézoélectrique (Figure 1a).
  4. Connecter le système de mouvement grossier bâton de glissement à un contrôleur.
  5. Mise en place d'imagerie optique à partir de deux angles - la face avant et la face de la puce. Utiliser deux télescopes placés sur des platines de translation, dirigées vers l'avant de la puce et l'un de ses côtés.
  6. Utilisation du broutage stade de mouvement grossier Z, déplacer l'échantillon à une distance de 1 um à partir du capteur, de sorte que la réflexion du capteur est visible sur l'échantillon.
    NOTE: Le contact entre l'échantillon et le capteur à ce stade peut nuire à la SQUID.
  7. Déplacer l'échantillon de 0,5 - 1 mm du capteur en utilisant l'étape Z broutage de mouvement grossier pour éviter d'endommager le SCHIQUE.
  8. Tournez la vis d'alignement (figure 1a) pour obtenir des angles avant égaux (ie, les angles des côtés de la pointe de la puce faire avec son reflet, comme on le voit sur la figure 1c).
  9. Déplacer l'échantillon à une distance de 1 um à partir du capteur. Vérifiez les angles et répétez l'étape 3.7 et 3.8 si nécessaire.
  10. Faites tourner les vis d'alignement pour obtenir un angle de 4 degrés entre le capteur et l'échantillon (figure 1d). Assurez-vous que la pointe de la puce est la partie qui est en contact avec l'échantillon.

4. mesures

  1. Chargez la tête de balayage (figure 1a) à un système 4 K de refroidissement.
    REMARQUE: la tête de numérisation doit être relié à une plaque froide, et entouré par un vide peut. Câbler une bobine autour de la boîte pour appliquer un champ magnétique externe (champs faibles de plusieurs Gauss sont suffisantes pour cette étude). Couvrir cette configuration avec un bouclier Mu-métal.
  2. Refroidir en présence d'magnetic champ, par application d'un courant à travers la bobine entourant le microscope. Choisissez avec soin l'intensité du champ pour obtenir la densité de vortex souhaitée. Utilisez 1Φ 0 = 20,7 G / um 2 pour calculer le champ cooldown. Par exemple, pour 10 un vortex dans 10 um de 10 um zone, appliquer 2,07 G.
  3. Pour passer à un nouvel échantillon de la chaleur de densité de vortex au-dessus de la température de transition supraconductrice (pour Nb, une température supérieure à 10 K). Appliquer le nouveau champ.
  4. échantillon Refroidir à 4,2 K.
  5. Tournez champ magnétique hors tension. Tournez SQUID sur.
  6. Déplacer l'échantillon à proximité du SQUID en utilisant le système de mouvement grossier bâton de glissement.
    1. Appliquer des tensions croissantes sur le cube Z-stick slip pour déplacer l'échantillon plus proche de la puce SQUID.
    2. Appliquer la tension entre le cantilever et la plaque de lecture de la capacité en utilisant un pont de capacité (0,1-1 V typiquement).
    3. Balayer la tension sur l'élément piézo-Z. Mesurer la capacitance entre le cantilever et la platee. Si une grande variation de la capacité se produit, l'échantillon est en contact avec la puce à SQUID.
    4. Si l'échantillon n'a pas fait contact avec la puce, répétez les étapes 4.6.1-4.6.3 jusqu'au contact est observé.
    5. Facultatif: Utilisez le mouvement de cours pour ajuster l'espacement entre la pointe et l'échantillon de telle sorte que le contact se produit à basse tension (0 - 10 V appliquée sur le piezo Z).
    6. Une fois qu'il ya un contact, répéter les étapes 4.6.2-4.6.3 en plusieurs endroits afin de déterminer les angles d'inclinaison de la surface et pour définir le plan de l'échantillon, par rapport au capteur.
  7. Balayer la tension sur les éléments piézo-électriques X et Y afin de déplacer l'échantillon par rapport au capteur. Numérisez à une hauteur constante au-dessus de l'échantillon, sans contact entre la pointe et l'échantillon, afin de cartographier la distribution de vortex. Atteindre une hauteur constante de balayage en changeant la tension sur l'élément piézo Z en fonction des emplacements X et Y, et au plan défini en 4.6.
  8. Choisissez un vortex et de numérisation Around pour déterminer avec précision l'emplacement de son centre. A noter que l'emplacement du vortex est par rapport à la boucle de prélèvement du SQUID, et non au point de contact.
  9. Tournez SQUID off.
  10. Appliquer une tension qui est supérieure à la tension de toucher à la z piezo et soit prise à côté du centre de vortex ou balayer le vortex en faisant glisser le capteur (en contact avec l'échantillon) lentement sur l'échantillon à un emplacement souhaité. Le vortex se déplace vers le robinet ou dans la direction de balayage. Les valeurs typiques pour ajouter à la tension piézo z appliquée sont 2-5 V.
  11. Tournez SQUID sur.
  12. Nouveau une image à une hauteur constante, sans contact pour localiser le nouvel emplacement du vortex.

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Representative Results

Notre protocole a été testé avec succès sur des milliers de particuliers, des tourbillons bien séparés dans deux échantillons de Nb, et neuf échantillons de NbN. Nous générons de nouveaux tourbillons sur le même échantillon en chauffant l'échantillon ci-dessus Tc, et le refroidissement de nouveau à 4,2 K en présence d'un champ magnétique. Nous avons choisi le champ magnétique externe pour atteindre la densité de vortex souhaité. Nous montrons ici données à partir de ces expériences. Ces résultats ont été décrits en détail par Kremen et al. 11.

Le protocole décrit ici permet une manipulation contrôlable des tourbillons dans différentes configurations (figure 2). Tourbillons uniques ont été déplacés sur des distances allant jusqu'à 1 mm (figure 3), et sont restés stables dans leurs nouveaux emplacements.

Figure 1
Figure 1. Système de SQUID de numérisation. (A) La tête de balayage. (B) La photo agrandie de la zone encerclée en (a). (C) Angle avant Sample-capteur. Les angles a et β entre la puce et sa réflexion de l'échantillon doit être égale des deux côtés. (D) L'angle d'alignement choisi entre le capteur et l'échantillon. L'angle entre la puce et la réflexion est le double de l'angle désiré, qui doit être d'au moins 4 °. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

Figure 2
La figure 2. La manipulation des tourbillons pour former la lettre B. (a) de la configuration initiale après refroidissement de l'échantillon en présence d'magnechamp tic. (B) Une nouvelle configuration après le déplacement des tourbillons, dans la forme de la lettre B. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

figure 3
Figure 3. Plusieurs manipulations d'un seul vortex, en le faisant glisser sur une distance de 820 um. Encart: (a) Un seul vortex. La forme de trou de serrure est due à convolution entre le signal magnétique et la fonction d'étalement de point du capteur. (B) Une analyse en contact avec le SQUID sous tension. L'emplacement initial du vortex se trouve à gauche de l'image. Le pic du signal se déplace vers la droite avec le tourbillon, jusqu'à ce que le vortex est déplacée à l'extrémité droite et ne bouge plus. (C) Une esquisse d'une analyse en contact. lepointe du capteur est le premier à entrer en contact avec l'échantillon, tandis que l'emplacement du vortex reçu de l'analyse est par rapport à la boucle de lecture, qui est décalée par rapport à la pointe. S'il vous plaît cliquer ici pour voir une version plus grande de cette figure.

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Discussion

manipulation réussie des tourbillons dépend de plusieurs étapes critiques. Il est important d'aligner le capteur à un angle, de telle sorte que la pointe de la puce sera la première à entrer en contact avec l'échantillon. Deuxièmement, il est important de noter que la force exercée sur l'échantillon est déterminée par les propriétés mécaniques de la poutre que la puce est montée sur. Dans le régime élastique, la force appliquée est proportionnelle à la déviation, x, conformément à la loi de Hooke:
F = -kx

Où k est la constante du ressort, déterminé par le module de Young du matériau et ses dimensions physiques, et est donné par
k = Et 3 w / 4l 3

Ici, E est le module d'Young, t étant l'épaisseur du faisceau, w est la largeur et l est la longueur. Pour un cantilever de cuivre, E = 117 GPa. Notre cantilever était de 0,017 mm d'épaisseur, 3 mm de large et 10,7 mm de long, ce qui donne k = 0,35 N / m. Lorsque la tension dans l'élément piézo Z est 1 V below touché, la déviation était de 1,6 um. Cela donne une force de 0,56 μN. Il est important de choisir le matériau en porte à faux et les dimensions correctement, pour obtenir la force souhaitée.

Il est également important de noter que l'emplacement du vortex balayé par le SQUID est relatif à la boucle de prélèvement, et que le point de contact est déplacé depuis la boucle de prélèvement en fonction de la taille de la puce et le polissage. Ce déplacement doit être pris en compte lors du choix de l'emplacement de l'événement du robinet, ou l'analyse de contact, afin d'assurer que la pointe de la puce est en contact près de l'emplacement de vortex.

Si un vortex n'a pas été déplacé après la numérisation en contact, en appliquant plus de stress en poussant la pointe plus difficile dans l'échantillon, en appuyant sur l'échantillon pendant une période plus longue ou en faisant glisser la pointe plus lentement à travers l'échantillon peut aider à surmonter la force de fixation et de disloquer le vortex.

L'échantillon n'a pas montré la mémoire des manipulatisur; nous avons observé aucun changement dans le diamagnétisme de l'échantillon, correspondant à la densité superfluide, ainsi que d'aucune modification de la topographie de l'échantillon. Nouvelles configurations de tourbillons créés après le réchauffage et le refroidissement en présence d' un champ magnétique ne montrent pas la mémoire des manipulations précédentes soit 11.

Notre méthode est limitée par la taille du point de contact. La technique a le potentiel pour affiner l'emplacement des tourbillons, mais jusqu'à présent, nous avons démontré les capacités du protocole plutôt grandes, des conseils polis de la puce (de 100 nm à 1 pm). Caractérisation de la pointe est nécessaire afin de connaître les gradients de contrainte.

En conclusion, notre protocole permet la manipulation des tourbillons individuels en films minces supraconducteurs à basse température et sans autres étapes de fabrication de l'échantillon. La maîtrise de la capacité de contrôler la localisation des tourbillons peuvent avoir des applications dans la conception deflux portes logiques fondées, ainsi que dans l'étude des interactions de tourbillons avec d'autres tourbillons, le réseau et d'autres particules magnétiques.

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Acknowledgements

Nous remercions A. Sharoni de l'Université Bar-Ilan pour fournir les films supraconducteurs. Cette recherche a été soutenue par le Conseil européen de la recherche Grant ERC-2014-STG- 639792, intégration Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-333799-CIG, et la Fondation Israël Sciences 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

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