Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

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

Wirbel sind magnetische Objekte auf der Nanoskala, bei Typ-2-Supraleiter in Gegenwart von äußeren Magnetfeld gebildet. In einem fehlerfreien Probe kann Wirbel frei bewegen. Jedoch verschiedene Mängel im Material Ergebnis in Bereichen verringerter Supraleitung, die für Wirbel energetisch günstig sind. Wirbel neigen dazu, diese Regionen, auch bekannt als die Pinning-Stellen zu dekorieren. In diesem Fall ist die Kraft um einen Wirbel zu bewegen, muss größer sein als die Pinning-Kraft. Eigenschaften von Wirbeln, wie beispielsweise Wirbeldichte Wechselwirkungsstärke und Reichweite, kann leicht durch externes Feld, Temperatur oder Geometrie der Probe bestimmt werden. Die Fähigkeit , diese Eigenschaften zu kontrollieren macht sie ein gutes Modellsystem für kondensierter Materie Verhalten , das leicht abgestimmt werden kann, sowie geeignete Kandidaten für elektronische Anwendungen 1, 2. Steuerung der Lage der einzelnen Wirbel ist wesentlich für die Gestaltung solcher logische Elemente.

Mechanische Kontrolle magnetischer Nanopartikel hatte zuvor erreicht. Kalisky et al. zuletzt verwendeten Scan supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) zur Untersuchung der Einfluss der lokalen mechanischen Beanspruchung auf ferromagnetischen Patches in komplexen Oxidgrenzflächen 3. Sie waren in der Lage, die Orientierung des Pflasters durch Scannen in Kontakt zu verändern, wird durch Drücken der Spitze des SQUID in die Probe, um eine Kraft von bis zu 1 & mgr; N in dem Verfahren Anwendung. Wir haben ein ähnliches Verfahren in unserem Protokoll zu bewegen, um Wirbel eingesetzt.

In bestehenden Studien der Wirbel Manipulation wurde Bewegung durch Anlegen von Strom an die Probe erreicht, so dass die Schaffung Lorentzkraft 4, 5, 6. Während dieses Verfahren wirksam ist, ist es nicht lokal, und erforderlich, um einen einzigen Wirbel, zusätzlichen Herstellungs zu steuern ist. Vortices kann auch sein maniplierten durch externes Magnetfeld angelegt wird , beispielsweise mit einem Magnetkraftmikroskop (MFM) oder mit einem SQUID Feldspule 7, 8. Dieses Verfahren ist wirksam und lokal, aber die Kraft, die durch diese Werkzeuge angewendet ist klein, und die Pinning-Kraft nur bei hohen Temperaturen, in der Nähe der kritischen Temperatur des Supraleiters überwinden. Unser Protokoll ermöglicht eine effektive, lokale Manipulation bei niedrigen Temperaturen (4 K) ohne zusätzliche Herstellung der Probe.

Wir Bild Wirbel Scanning SQUID-Mikroskopie. Der Sensor wird auf einem Siliziumchip hergestellt, der in eine Ecke poliert wird, und auf einem flexiblen Kragarm verklebt. Der Ausleger ist für kapazitive Abtastung der Oberfläche verwendet. Der Chip ist in einem Winkel zu der Probe angeordnet ist, so daß der Kontaktpunkt an der Spitze des Chips ist. Wir wenden Kräfte von bis zu 2 & mgr; N durch den Chip in die Probe drückt. Wir bewegen die Probe relativ zu dem SQUID von Piezo-Elementen. Wir ziehen umneben einem Wirbel der Wirbel, der durch den Siliziumspitze zu tippen, oder es durch Kehren, berühren den Wirbel.

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Protocol

1. Der Zugang zu einem Scanning SQUID-System

  1. Verwenden Sie ein Scan - SQUID - System , das einen SQUID - Sensor auf einem Chip 9, 10, Stick - Slip - Grobbewegungstisch und einem piezobasierten Scanner für feine Bewegung hergestellt umfasst. Siehe Abbildung 1.
  2. Polieren Sie die SQUID-Chip in eine Ecke rund um den Pickup-Schleife. Das Material des Chips muss den ganzen Weg zu der Aufnahmeschleife entfernt werden.
    1. polieren Sie vorsichtig das SQUID, 5 bis 0,5 um nicht-magnetische Polierpapier.
      HINWEIS: Nach der Polierstufe kann der Pickup-Schleife in die Nähe gebracht werden, oder Kontakt mit der Probe.

2. Deposition von Niobium (Nb) Thin Film mit Gleichstrom (DC) Sputtering

  1. Besorgen Sie sich ein Substrat. In dieser Arbeit verwenden, um eine Bor-dotierte Siliziumsubstrat mit 500 nm aus Siliziumoxid. Andere Substrate wie SrTiO und MgO sind möglich.
  2. Erreichen Sie eine Basis pressure von 10 -7 Torr in der Kammer. Pre-Sputter mit 99,95% Nb Target in einer Argonumgebung bei einem Druck von 2,4 mTorr mit einer Abscheidungsrate von 1,8 Å / s bei Raumtemperatur für 10 min, um die Verdampfungskammer. Beachten Sie, dass der Abscheidungsprozess erst beginnen kann , wenn der Basisdruck in der Kammer kleiner als 10 -7 Torr. Wenn der Druck höher ist, wiederholen Sie den Pre-Sputter-Bühne.
  3. Platzieren Substrat in der Kammer.
  4. Deposit Nb-Dünnfilms durch von einer 99,95% Nb Ziel bei Raumtemperatur Sputtern in einer Argonumgebung bei einem Druck von 2,4 mTorr mit einer Abscheidungsrate von 1,8 Å / s.

3. Probe-Spitze Ausrichtung

  1. In diesem Stadium auszurichten den Sensorchip mit der Probe, so dass die Spitze des Chips den Kontakt mit der Probe ist, wenn die Wirbel bewegt. Um dies zu erreichen, einen Ausrichtungswinkel von mindestens 4 ° verwenden.
  2. Kleben Sie einen flexiblen Ausleger auf einer leitenden Platte mit einer dielektrischen Schicht. Dann kleben Sie die SQUID chip auf dem Ausleger. Die Kapazität zwischen dem Cantilever und einer statischen Platte bestimmt den Kontakt mit der Probe und dem Ausmaß der Belastung aufgetragen.
  3. Legen Sie die Probe auf dem Mikroskop. Kleben Sie die Probe auf eine bestimmte Probenträger einen Lack oder Silberpaste verwendet wird. Kleben Sie die Halterung an der Z Piezoelement (Abbildung 1a).
  4. Schließen Sie die Stick-Slip-Grobbewegungssystem mit einem Controller.
  5. Richten Sie optische Abbildung von zwei Seiten - der Vorderseite und der Seite des Chips. Verwenden Sie zwei Teleskope platziert auf Übersetzung Stufen, gerichtet an der Vorderseite des Chips und einer seiner Seiten.
  6. Unter Verwendung der Z-Stick-Slip-Grobbewegungstisch, bewegen Sie die Probe auf einen Abstand von 1 & mgr; m von dem Sensor, so dass die Reflexion des Sensors auf der Probe sichtbar ist.
    HINWEIS: Der Kontakt zwischen der Probe und dem Sensor in diesem Stadium kann das SQUID schaden.
  7. Bewegen Sie die Probe von 0,5 bis 1 mm vom Sensor entfernt den Z-Stick-Slip-Grobbewegungstisch mit Schäden an der S zu verhindernPFUND.
  8. Drehen Sie die Ausrichtungsschrauben (Abbildung 1a) gleich Frontwinkel zu erhalten (dh die Winkel der Seiten der Spitze des Chips mit seiner Reflexion zu machen, wie in Abbildung 1c zu sehen ist ).
  9. Bewegen der Probe in einem Abstand von 1 & mgr; m von dem Sensor. Überprüfen Sie die Winkel und wiederholen Sie Schritt 3.7 und 3.8, wenn nötig.
  10. Drehen Sie die Justierschrauben einen Winkel von 4 Grad zwischen dem Sensor zu erhalten und die Probe (Abbildung 1d). Stellen Sie sicher, dass die Spitze des Chips ist der Teil, der Kontakt mit der Probe macht.

4. Messungen

  1. Laden Sie den Scankopf (Abbildung 1a) zu einem 4 K Kühlsystem.
    HINWEIS: Die Scankopf sollte durch ein Vakuum auf einer kalten Platte, und umgeben verbunden werden. Draht zu einer Spule um die Dose zum Anlegen von externen Magnetfeldes (niedrige Felder aus mehreren Gauß ausreichend sind für diese Studie). Decken Sie diese Einstellung mit einem Mu-Metallabschirmung.
  2. Kühle in Gegenwart von Magnetic Feld von Strom durch die Spule der Anwendung des Mikroskops umgibt. Wählen Sie die Feldstärke sorgfältig die gewünschte Wirbeldichte zu erreichen. Verwenden Sie 1Φ 0 = 20,7 g / & mgr; m 2 die Abklingzeit Feld zu berechnen. Beispielsweise für 10 Wirbel in einer 10 & mgr; m bis 10 & mgr; m-Bereich, gelten 2,07 G.
  3. Für oberhalb der Sprungtemperatur zu einer neuen Wirbeldichte Wärmeprobenwechsel (für Nb, Hitze über 10 K). Wenden Sie das neue Feld.
  4. Kühle Probe auf 4,2 K.
  5. Schalten Magnetfeld ab. Drehen Sie SQUID auf.
  6. Bewegen Sie die Probe nahe an dem SQUID mit dem Stick-Slip-Grobbewegungssystem.
    1. Nehmen zunehmende Spannungen auf der Z-Stick-Slip-Würfel die Probe näher an den SQUID-Chip zu bewegen.
    2. Anwenden Spannung zwischen dem Ausleger und der Platte zum Lesen der Kapazität einer Kapazitätsbrücke unter Verwendung von (0,1-1 V typisch).
    3. Fegen die Spannung auf der Z Piezoelement. Messen Sie die Kapazität zwischen dem Ausleger und dem plate. Wenn eine große Veränderung der Kapazität auftritt, ist die Probe in Kontakt mit dem SQUID-Chip.
    4. Wenn die Probe nicht mit dem Chip gemacht haben Kontakt, Schritte wiederholen 4.6.1-4.6.3, bis der Kontakt beobachtet wird.
    5. Optional: Kurs Bewegung Verwenden Sie den Abstand zwischen der Spitze und der Probe einzustellen, so dass der Kontakt bei niedrigen Spannungen (0 - 10 V angelegt auf der Z-Piezo) auftritt.
    6. Sobald dort Kontakt ist, wiederholen Sie die Schritte 4.6.2-4.6.3 an mehreren Stellen, um die Neigungswinkel der Oberfläche zu bestimmen und die Ebene der Probe, relativ zu dem Sensor zu bestimmen.
  7. Kehren die Spannung an den X und Y Piezoelemente, um die Probe relativ zu dem Sensor zu bewegen. Scannen auf einer konstanten Höhe oberhalb der Probe, ohne Kontakt zwischen der Spitze und der Probe, um Wirbel Verteilung abzubilden. Erzielen eine konstante Scanhöhe durch die Spannung an der Z piezo ändert gemäß den X- und Y-Positionen und auf die Ebene in 4.6 definiert.
  8. Wählen Sie einen Wirbel und Scan around es genau die Position seiner Mitte bestimmen. Beachten Sie, dass die Wirbel Lage zu der Aufnahmeschleife des SQUID relativ ist, nicht an die Kontaktstelle.
  9. Schalten SQUID aus.
  10. Übernehmen einer Spannung, die größer als Aufsetzpunkt Spannung an die piezo z ist und entweder tap neben dem Wirbelzentrum oder den Wirbel kehren durch den Sensor ziehen (in Kontakt mit der Probe) langsam auf die Probe zu einer gewünschten Stelle. Der Wirbel wird auf dem Hahn oder in der Durchlaufrichtung bewegen. Typische Werte der angelegten z Piezospannung sind 2-5 V. hinzufügen
  11. Drehen Sie SQUID auf.
  12. Bild erneut auf einer konstanten Höhe ohne Kontakt, um die neue Position des Wirbels zu lokalisieren.

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Representative Results

Unser Protokoll wurde auf Tausenden von einzelnen, gut getrennt Wirbel in zwei Proben von Nb, und neun Proben von NbN erfolgreich getestet. Wir erzeugen neue Wirbel an der gleichen Probe, indem die Probe oberhalb von Tc erhitzt wird, und Abkühlen wieder auf 4,2 K in Gegenwart eines Magnetfelds. Wir wählten das externe Magnetfeld um die gewünschte Wirbeldichte zu erreichen. Wir zeigen hier, Daten aus diesen Experimenten. Diese Ergebnisse wurden im Detail von Kremen et al. 11.

Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht eine kontrollierbare Manipulation von Wirbeln in verschiedenen Konfigurationen (Abbildung 2). Einzelne Wirbel wurden über Entfernungen von bis zu 1 mm (Abbildung 3) bewegt, und blieb stabil an ihren neuen Standorten.

Abbildung 1
Abbildung 1. Scanning SQUID - System. (A) Der Scankopf. (B) Das große Foto des Gebiets , in eingekreist (a). (C) Probe-Sensor Frontwinkel. Die Winkel a und β zwischen dem Chip und seiner Reflexion von der Probe sollte auf beiden Seiten gleich sein. (D) Die gewählte Ausrichtungswinkel zwischen dem Sensor und der Probe. Der Winkel zwischen dem Chip und der Reflexion ist das Doppelte der gewünschten Winkel, die mindestens 4 ° sein sollte. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 2
Abbildung 2. Manipulation von Wirbeln nach Abkühlen der Probe in Gegenwart von Magne den Buchstaben B (a) Anfangskonfiguration zu bildentic Feld. (B) Eine neue Konfiguration nach der Wirbel bewegen, in der Form des Buchstaben B. Bitte hier klicken , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

Figur 3
Abbildung 3. Verschiedene Manipulationen eines einzelnen Wirbel, es über eine Strecke von 820 & mgr; m ziehen. Kleines Bild: (a) Ein einziger Wirbel. Die Schlüssellochform ist aufgrund zwischen dem magnetischen Signal und des Sensors Punktbildfunktion zur Faltung. (B) eine Abtastung in Kontakt mit dem SQUID eingeschaltet. Die anfängliche Position des Wirbels ist an der linken Seite des Bildes. Die Spitze des Signals bewegt sich nach rechts mit dem Wirbel, bis der Wirbel am rechten Ende und bewegt sich nicht mehr verlegt wird. (C) Eine Skizze eines Scans in Kontakt. DasSpitze des Sensors ist der erste Kontakt mit der Probe zu machen, während die Wirbel Lage vom Scan empfangenen relativ zu der Aufnahmeschleife, die von der Spitze versetzt ist. Bitte klicken Sie hier , um eine größere Version dieser Figur zu sehen.

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Discussion

Erfolgreiche Manipulation von Wirbeln, hängt von mehreren kritischen Schritte. Es ist wichtig, den Sensor in einem Winkel auszurichten, so dass die Spitze des Chips wird die erste, um einen Kontakt mit der Probe sein. Zweitens ist es wichtig zu beachten, dass die Kraft auf die Probe ausgeübt wird, durch die mechanischen Eigenschaften des Cantilevers bestimmt wird, dass der Chip auf montiert ist. In dem elastischen Regelung ausgeübte Kraft ist proportional zur Auslenkung x nach Hookeschen Gesetz:
F = kx

Wobei k die Federkonstante, bestimmt durch Elastizitätsmodul des Materials und seine physikalischen Abmessungen, und ist gegeben durch
k = Et 3 w / 4l 3

Hier E Young-Modul ist, t die Dicke des Balkens, w die Breite und L die Länge. Für einen Kupfer Cantilever, E = 117 GPa. Unsere Cantilever war 0,017 mm dick, 3 mm breit und 10,7 mm lang, die k = 0,35 N / m ergeben. Wenn die Spannung in der Z-Piezo betrug 1 V below Landung war die Ablenkung von 1,6 um. Daraus ergibt sich eine Kraft von 0,56 & mgr; N. Es ist wichtig, den Cantilever Material und Dimensionen richtig zu wählen, um die gewünschte Kraft zu erhalten.

Es ist auch wichtig, dass die Position des Wirbels zu beachten, wie durch den SQUID abgetastet zu der Aufnahmeschleife relativ ist, und daß der Kontaktpunkt von der Aufnahmeschleife versetzt entsprechend der Größe des Chips und dem Polieren. Diese Verschiebung ist zu bilanzieren, wenn die Lage des Hahns Veranstaltung wählen oder den Kontakt-Scan, um sicherzustellen, dass die Spitze des Chipkontakt in der Nähe des Wirbel Lage macht.

Wenn ein Wirbel wurde nach dem Scannen in Kontakt nicht verschoben, mehr Stress Anwendung durch die Spitze härter in die Probe Schieben, Drücken Sie die Probe für einen längeren Zeitraum oder Ziehen der Spitze langsamer über die Probe kann helfen, die Pinning-Kraft zu überwinden und den Wirbel verrücken.

Die Probe zeigte keine Erinnerung an die manipulatiauf; Wir beobachteten keine Änderung der Diamagnetismus der Probe, auf die suprafluiden Dichte entspricht, sowie keine Änderung der Topographie der Probe. Neue Wirbelaufbauten nach dem Aufwärmen und Abkühlen in Gegenwart des Magnetfeldes erzeugt nicht Erinnerung an früheren Manipulationen zeigten entweder 11.

Unsere Methode ist durch die Größe der Kontaktstelle begrenzt. Die Technik hat das Potential für die Feinabstimmung der Position von Wirbeln, aber bis jetzt haben wir die Fähigkeiten des Protokolls für ziemlich groß, polierte Spitzen des Chips (von 100 nm bis 1 & mgr; m) gezeigt. Die Charakterisierung der Spitze ist erforderlich, um die Dehnungsgradienten kennen.

Abschließend ermöglicht unser Protokoll für die Manipulation einzelner Wirbel in Dünnfilmen bei niedrigen Temperaturen supraleitend und ohne weitere Herstellung der Probe. Die Beherrschung der Fähigkeit, die Lage der Wirbel zu steuern Anwendungen im Design haben können vonFlußmittel auf Basis Logikgattern sowie bei der Untersuchung von Wechselwirkungen von Wirbeln mit anderen Wirbel, dem Gitter und andere magnetische Teilchen.

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Acknowledgements

Wir danken A. Sharoni von der Bar-Ilan-Universität für die supraleitenden Filme bereitstellt. Diese Forschung wurde unterstützt durch European Research Council ERC Grants-2014-STG- 639.792, Marie-Curie-Career Integration Grants FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, und Israel Science Foundation Grant ISF-1102-1113.

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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