現地連絡先によって渦操作のSQUID研究をスキャンします

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

渦は、外部磁場の存在下で2型超伝導体で形成されたナノスケールでの磁性体です。欠陥のないサンプルでは、​​渦が自由に動くことができます。しかし、渦のためにエネルギー的に有利である縮小超伝導領域における材料の結果で異なる欠陥。渦はまた、ピン止め部位として知られ、これらの領域を飾るする傾向があります。この場合には、渦を移動させるために必要な力は、ピン止め力よりも大きくなければなりません。このような渦の濃度、相互作用の強さと範囲と渦の特性は、容易に外部磁界、温度、試料の形状によって決定されることができます。これらの特性を制御する能力は、それらを簡単に調整することができる凝縮物質の挙動のための良好なモデル系だけでなく、電子応用1、2のための適切な候補になります。個々の渦の位置の制御は、このようなLOの設計に不可欠です外科用要素。

磁性ナノ粒子の機械的な制御は、以前に達成されました。 Kalisky ら。最近複合酸化物界面3強磁性パッチのローカル機械的応力の影響を研究するために走査超電導量子干渉素子(SQUID)を使用しました。彼らは、プロセス中に1μNの力を加え、試料にSQUIDの先端を押し、接触して走査することにより、パッチの向きを変更することができました。私たちは、渦を移動させるために私たちのプロトコルに類似した方法を使用しています。

渦操作の既存の研究では、運動は、従って、ローレンツ力4、5、6作成 、サンプルに電流を印加することによって達成されました。この方法は有効であるが、それはローカルではなく、単一の渦を制御するために、追加の加工が必要となります。渦はまた、マニピュレータすることができます磁気力顕微鏡(MFM)またはSQUID磁場コイル7,8と、例えば、外部磁場を印加することによりulated。この方法は、効果的かつ局所的であるが、これらのツールによって加えられる力が小さく、唯一の超伝導体の臨界温度に近い高温でピン止め力を克服することができます。私たちのプロトコルは、サンプルの追加製作せずに低温(4 K)に効果的で、地元の操作を可能にします。

私たち走査型SQUID顕微鏡を用いた画像の渦。センサは、角に研磨、及びフレキシブルカンチレバー上に接着されたシリコンチップ上に製造されます。カンチレバーは、表面の静電容量センシングのために使用されます。接点は、チップの先端にあるように、チップは、試料に対して斜めに配置されています。私たちは、試料中にチップを押して、最大2μNの力を加えます。私たちは、ピエゾ素子によりSQUIDに対する試料を移動させます。私たちは移動します渦の隣に、または、それを掃引渦に触れることにより、シリコンチップをタップして渦。

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Protocol

走査型SQUIDシステムへ1.アクセス

  1. チップ9、10、スティックスリップ粗動ステージ、および微動用ピエゾベースのスキャナ上に作製SQUIDセンサを含む走査型SQUIDシステムを使用してください。 図1を参照てください。
  2. ピックアップループのコーナーにSQUIDチップを磨きます。チップの材料はすべての方法のピックアップループに除去する必要があります。
    1. ゆっくり5〜0.5μm程度の非磁性研磨紙を使用して、SQUIDを磨きます。
      注:研磨ステージ後にピックアップループはサンプルで、近接、または接触させることができます。

直流(DC)スパッタリング2.ニオブの堆積(NB)薄膜

  1. 基板を得ました。この研究では、酸化ケイ素の500nmのホウ素ドープされたシリコン基板を用います。このようにSrTiOやMgOのような他の基板が可能です。
  2. ベースpressuに到達チャンバー内の10 -7 Torrの再。 10分間、1.8Å/秒の成膜速度で2.4トルの圧力でアルゴン環境下で、99.95%Nbターゲットを用いて室温での蒸発チャンバを予めスパッタ。チャンバ内のベース圧力が10未満-7トルである場合にのみ、堆積プロセスを開始できることに注意してください。圧力が高い場合、プリスパッタの段階を繰り返します。
  3. チャンバ内に基板を配置します。
  4. 1.8 A / Sの成膜速度で2.4トルの圧力でアルゴン環境で、99.95%Nbターゲットから室温でスパッタリングによりデポジットのNb薄膜。

3.サンプルチップのアライメント

  1. 渦を移動するときに、チップの先端が試料に接触するように、この段階では、試料とセンサチップを整列させます。これを達成するために、少なくとも4°の配向角を使用します。
  2. 誘電体層と導電板上に柔軟なカンチレバーを接着。そして、SQUIDカイを接着カンチレバー上にp。カンチレバーと固定プレートとの間の静電容量は、サンプルと加えられる応力の程度との接触を決定します。
  3. 顕微鏡の負荷サンプル。指定されたサンプルにサンプルを接着すると、ワニスまたは銀ペーストを使用してマウントします。 Zのピエゾ素子( 図1a)にマウントを接着。
  4. コントローラにスティックスリップ粗動システムを接続します。
  5. フロントとチップの側面 - 二つの角度から光イメージングを設定します。チップとその辺の1の前面に向け並進ステージ上に配置された2つの望遠鏡を使用します。
  6. Zスティックスリップ粗動ステージを使用して、センサーの反射が試料上に表示されるように、センサーから1μmの距離にサンプルを移動させます。
    注:この段階で、サンプルとセンサとの間の接触は、SQUIDを傷つけることがあります。
  7. Sへの損傷を防ぐために、Zスティックスリップ粗動ステージを使用して1ミリメートルセンサから離れ - 0.5のサンプルを動かしQUID。
  8. 同じフロントの角度を取得するための位置合わせ用ネジ( 図1a)を回転させる( すなわち、 図1cに見られるように、チップの先端部の側面は、その反射で作る角度)。
  9. センサーから1μmの距離にサンプルを移動します。角度を確認し、必要に応じてステップ3.7と3.8を繰り返します。
  10. センサーおよびサンプル( 図1D)との間に4度の角度を取得するために、位置合わせ用ネジを回します。チップの先端がサンプルと接触する部分であることを確認してください。

4.測定

  1. 4 K冷却システムに走査ヘッド( 図1a)をロードします。
    注:スキャンヘッドは、コールドプレートに接続され、真空缶に囲まれるべきです。ワイヤー外部磁場を印加するための缶の周りにコイル(数ガウスの低フィールドは、この研究のために十分です)。ミューメタルシールドが、このセットアップをカバーしています。
  2. マグネの存在下でクールチックフィールド、顕微鏡を取り囲むコイルに電流を流すこともできます。所望の渦密度を達成するために慎重に電界強度を選択します。クールダウンフィールドを計算するために1Φ0 = 20.7 G /μmの2を使用してください。例えば、10μmのエリアによっては10μmで10渦のために、2.07 G.を適用
  3. 超伝導転移温度(10 K上のNbは、熱)上記新しい渦密度熱サンプルに変化させます。新しいフィールドを適用します。
  4. 4.2 Kにクールサンプル
  5. 磁場をオフにします。 SQUIDをオンにします。
  6. スティックスリップ粗動システムを使用して、SQUIDに近いサンプルを移動します。
    1. SQUIDチップに近いサンプルを移動させるために、Z-スティックスリップキューブに増加電圧を印加します。
    2. キャパシタンスブリッジ(典型的には0.1〜1 V)を使用して容量を読み取るためのカンチレバーと板との間に電圧を印加します。
    3. Zピエゾ素子に電圧をスイープ。カンチレバーとプラットとの間の静電容量を測定します電子。静電容量の大きな変化が発生した場合、サンプルは、SQUIDチップと接触しています。
    4. サンプルがチップと接触していない場合は、手順を繰り返し4.6.1-4.6.3接触が観察されるまで。
    5. オプション:その連絡先は低電圧(0 - Zピエゾに適用される10 V)で行われるように、先端と試料との間の間隔を調整するために、コースの動きを使用してください。
    6. 接触が、繰り返しは、表面の傾斜角を決定するためのセンサに対する試料の平面を定義するために、いくつかの場所に4.6.2-4.6.3ステップ。
  7. センサに試料を相対的に移動させるためにX及びYピエゾ素子に電圧をスイープ。渦の分布をマッピングするために、チップと試料間の接触せずに、サンプル上記の一定の高さでスキャンします。 XとYの位置に応じたZピエゾの電圧を変化させることにより、および4.6で定義された平面に一定のスキャンの高さを実現。
  8. 渦を選択し、arouスキャンNDは正確にその中心の位置を決定します。渦の場所がない接点に、SQUIDのピックアップループに対して相対的であることに注意してください。
  9. SQUIDをオフにします。
  10. Zピエゾへのタッチダウン電圧よりも高い電圧を印加し、いずれかの次の渦の中心部にタップするか、ゆっくりと目的の場所にサンプル上に(サンプルと接触して)センサーをドラッグすることで渦をスイープ。渦は、タップに向かってまたは掃引方向に移動します。適用されるのzピエゾ電圧に追加する典型的な値は2-5 Vです。
  11. SQUIDをオンにします。
  12. 渦の新しい場所を見つけるために接触せずに一定の高さで、再び画像。

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Representative Results

私たちのプロトコルが正常にNbを2サンプル、および窒化ニオブの9サンプル内の個々の、十分に分離渦の数千に試験しました。私たちは、Tcの上に試料を加熱し、磁場の存在下で4.2 Kに戻ってそれを冷却することによって、同じ試料上の新しい渦を発生させます。我々は、所望の渦密度を達成するために、外部磁界を選択しました。ここでは、これらの実験からのデータを示しています。これらの結果は、クレメンによって詳細に記載されています 11。

ここで説明するプロトコルは、さまざまな構成( 図2)への渦の制御可能な操作を可能にします。シングル渦は1ミリメートル( 図3)までの距離に亘って移動し、その新しい場所で安定的に推移しました。

図1
図1. スキャニングSQUIDシステム(a)は、走査ヘッド。 (b)の面積の拡大写真は、(a)の丸で囲みました。 (c)のサンプル・センサーフロント角。角度αと、チップと試料からの反射光との間のβは、両側に等しくなければなりません。 (d)のセンサーと試料との間の選択されたアライメント角。チップと反射との間の角度は、少なくとも2回、4°であるべき所望の角度、です。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図2
渦の 図2 操作は、マグネの存在下でサンプルを冷却した後、(A)初期設定文字Bを形成しますチックフィールド。 (b)は 、文字Bの形状で渦を移動した後、新しい構成は、 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

図3
820ミクロンの距離にわたってドラッグ、単一の渦の 3 いくつかの操作を 。挿入図:(a)は 、単一の渦。鍵穴形状は、磁気信号とセンサの点広がり関数との間の畳み込みによるものです。 (b)は SQUIDと接触しているスキャンがオンになって。渦の初期位置は、画像の左側にあります。渦は右端ともはや移動に再配置されるまで、信号のピークは、渦と右に移動します。 (c)に接触しているスキャンのスケッチ。ザスキャンから受信した渦の位置が先端からオフセットされたピックアップループ、を基準としながら、センサーの先端は、試料との接触を作るために最初のものです。 この図の拡大版をご覧になるにはこちらをクリックしてください。

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Discussion

渦の成功操作は、いくつかの重要なステップに依存します。チップの先端が試料と接触する第一となるように、角度センサを位置合わせすることが重要です。第二に、試料に加わる力は、チップがマウントされているカンチレバーの機械的特性によって決定されることに留意することが重要です。弾性政権では、加えられた力は、フックの法則によれば、たわみ、xに比例します。
F = -kx

ここで、kは材料のヤング率、及びその物理的寸法によって決まるバネ定数は、であり、で与えられます。
K =のEt 3/4リットル3ワット

ここで、Eはヤング率である幅であり、lは長さwは、tは、ビームの厚さです。銅カンチレバーの場合、E = 117 GPaで。私たちのカンチレバーがk = 0.35 N /メートルを与えている、3ミリメートル、幅10.7ミリメートル、長、0.017ミリメートルの厚さでした。 Zピエゾの電圧が1 Vベロたときワットタッチダウン、たわみが1.6μmでした。これは、0.56μNの力を与えます。所望の力を得るために、適切にカンチレバー材料及び寸法を選択することが重要です。

SQUIDによってスキャンとして渦の位置がピックアップループに対してであり、接点は、チップの大きさと研磨に係るピックアップループから変位することに留意することも重要です。この変位は、チップの先端が渦の位置の近くに接触することを保証するために、タップイベントの位置、または連絡先スキャンを選択する際に考慮されることです。

渦がサンプルに硬い先端を押すことによって、より多くのストレスを適用して、接触してスキャン後にずれていなかった場合は、より長い期間のためのサンプルを押すか、サンプル間でよりゆっくりと先端をドラッグすると、ピン止め力を克服し、渦を脱臼することができます。

サンプルはmanipulatiのメモリを示しませんでしたに;我々は超流動密度、ならびにサンプルの地形に変化がないに相当する、サンプルの反磁性に変化は認められませんでした。新しい渦構成は、再加熱し、前の操作のいずれか11のメモリを示さなかった磁場の存在下で冷却した後に作成します。

我々の方法は、接触点の大きさによって制限されます。技術は微調整のための潜在的な渦の場所を持っていますが、これまでのところ、我々は(100ナノメートルから1ミクロンまで)、チップのかなり大規模な、洗練されたヒントのためのプロトコルの能力を実証しました。チップの特性は、歪勾配を知るために必要とされます。

結論として、我々のプロトコルは、低温で、試料のさらなる製造することなく、超電導薄膜内の個々の渦の操作を可能にします。の設計における用途を有し得る渦の位置を制御する能力を習得フラックスベースの論理ゲートだけでなく、他の渦と渦の相互作用の研究、格子、および他の磁性粒子インチ

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Acknowledgements

私たちは、超伝導膜を提供するためのバー・イラン大学からA. Sharoniに感謝します。本研究では、欧州研究評議会助成ERC-2014-STG- 639792によってサポートされていました、マリー・キュリーのキャリアの統合グラントFP7-PEOPLE-2012-CIG-333799、およびイスラエル科学財団助成ISF-1102から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).
  2. Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501 (2007).
  3. Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
  4. Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature. 440, 651-654 (2006).
  5. Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504 (2009).
  6. Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598 (2015).
  7. Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
  8. Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511 (2011).
  9. Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704 (2008).
  10. Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101 (2008).
  11. Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).

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