Yerel İletişim tarafından Vortex Manipülasyon KALAMAR Çalışması taranması

1Department of Physics and Institute of Nanotechnology and Advanced Materials, Bar-Ilan University
Published 2/01/2017
0 Comments
  CITE THIS  SHARE 
Engineering

You must be subscribed to JoVE to access this content.

Fill out the form below to receive a free trial:

Welcome!

Enter your email below to get your free 10 minute trial to JoVE!





By clicking "Submit," you agree to our policies.

 

Summary

Cite this Article

Copy Citation

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).

Please note that all translations are automatically generated through Google Translate.

Click here for the english version. For other languages click here.

Abstract

Introduction

Girdaplar dış manyetik alanın varlığında tip 2 Süperiletkenlerde oluşan nano manyetik nesneler vardır. Bir kusur ücretsiz örneğinde, girdaplar serbestçe hareket edebilir. Ancak, girdapların için enerjik elverişli azaltılmış süperiletkenlik bölgelerinde maddi sonuç farklı kusurlar. Girdaplar bu bölgeleri, aynı zamanda çivileme siteleri olarak bilinen dekore eğilimindedir. Bu durumda, bir girdap hareket ettirmek için gerekli olan kuvvet sabitleme kuvvetinden daha büyük olması gerekmektedir. Bu girdap yoğunluğu, etkileşim gücü ve aralık gibi girdapların, özellikleri, kolayca dış alanı, sıcaklık, ya da numune geometrisi ile belirlenebilir. Bu özellikleri kontrol etme yeteneği, onları, elektronik uygulamaları 1, 2, kolayca ayarlanabilir yoğun madde davranışı, hem de müsait adaylar için iyi bir model sistemi sağlar. Bireysel vortices yerini kontrolü, lo tasarımı için gerekli olanrahi elemanları.

Manyetik nanopartiküller mekanik kontrolü daha önce elde edilmişti. Kalisky ve diğ. Son zamanlarda kompleks oksit arayüzleri 3 ferromanyetik yamalar yerel mekanik stres etkisini incelemek için tarama süperiletken kuantum girişim cihazı (SQUID) kullanılır. Onlar süreçte kadar 1 μN bir güç uygulayarak, numunenin içine SQUID ucu basarak temas tarayarak yama yönünü değiştirmek için başardık. Biz girdapları taşımak için bizim protokolde benzer bir yöntem kullandık.

Girdap manipülasyon Mevcut çalışmalarda, hareket ve böylece Lorentz kuvveti 4, 5, 6 oluşturma, numune akımı uygulanarak elde edildi. bu yöntem etkili olsa da, yerel değildir ve tek bir girdap kontrol etmek amacıyla, ek bir üretim gereklidir. Girdaplar da Manip olabilirmanyetik kuvvet mikroskopu (MFM) veya kalamar alan sargısı 7, 8, örneğin, harici bir manyetik alan uygulayarak ile düzenlenmiştir. Bu yöntem etkili ve yerel, ama bu araçlar tarafından uygulanan kuvvet küçük ve sadece süperiletken kritik sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıklarda çivileme kuvvetini üstesinden gelebilir. Bizim protokol örneğinin ek imalat olmaksızın düşük sıcaklıklarda (4 K) etkili, yerel müdahale etmenizi sağlar.

Biz tarama KALAMAR mikroskopi kullanılarak görüntü girdapları. Sensör bir köşeye cilalı ve esnek bir konsol üzerinde yapıştırılmış bir silikon çip üzerinde imal edilir. Konsol yüzeyinin kapasitif algılama için kullanılır. temas noktası çip ucunda, böylece çip, örnek bir açı ile yerleştirilir. Bu numune içine çip iterek kadar 2 μN kuvvetleri uygulanır. Biz piezo elemanları tarafından SQUID örnek göreli hareket ettirin. Biz hareketBir girdaba yanında, ya da onu süpürme girdap dokunarak silikon ucu dokunarak girdap.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Protocol

Bir Tarama KALAMAR Sistemine 1. Erişim

  1. Bir çip 9, 10, sopa kayma kaba hareket aşamasında ve ince hareket için bir piezo-tabanlı tarayıcı üzerinde fabrikasyon bir KALAMAR sensörü içeren bir tarama KALAMAR sistemi kullanın. Bkz: Şekil 1.
  2. pikap döngü etrafında bir köşeye KALAMAR çipi parlatın. çip malzemesi tüm yol alma döngü kaldırılması gerekiyor.
    1. Yavaşça 5 mikron 0.5 manyetik olmayan parlatma kağıt kullanarak, SQUID lehçe.
      NOT: parlatma aşamadan sonra pikap döngü örneği ile, yakın, ya da temas getirilebilir.

Doğru Akım (DC) püskürtme ile Niyobyum (Nb) İnce Film 2. Biriktirme

  1. Bir alt-tabakanın elde edilir. Bu çalışma, silikon oksit, 500 nm olan bir bor içerikli silikon bir alt-tabakanın kullanımı. Böyle SrTiO ve MgO gibi diğer alt tabakalar mümkündür.
  2. Bir baz pressu ulaşmakodasında 10 -7 Torr yeniden. Ön sputter 10 dakika için 1.8 a / s bir depozisyon oranı 2.4 mTorr basıncında bir argon ortamında% 99,95 Nb hedefi, oda sıcaklığında buharlaştırma odasını. Odasındaki taban basıncı az 10 -7 Torr olduğunda bırakma işlemi sadece başlayabilirsiniz unutmayın. Basınç öncesi püskürtme aşaması yüksek yineleyin ise.
  3. odasında yerleştirilmesidir.
  4. 1.8 a / s 'lik bir yerleştirme oranı 2.4 mTorr basıncında argon ortamında,% 99.95 Nb hedeften oda sıcaklığında püskürtülerek Deposit Nb ince film.

3. Numune ucu Hizalama

  1. girdapları taşırken çip ucu örneği ile temas edinceye kadar bu aşamada, numune ile sensör çipi aynı hizaya getirin. Bunu elde etmek için, en az 4 ° 'lik bir hizalama açı kullanılır.
  2. bir dielektrik tabaka, bir iletken plaka üzerinde, esnek bir konsol Tutkal. Ardından, KALAMAR chi tutkalkonsol üzerinde s. konsol ve statik plakası arasındaki kapasitans numune ve uygulanan stres ölçüde temas belirler.
  3. mikroskop yük örneği. belirlenmiş bir örnek örnek Tutkal bir cila veya gümüş macun kullanarak monte edin. Z piezo elemanı (Şekil 1a) için montaj Tutkal.
  4. Bir kontrolöre sopa kayma kaba hareket sistemini bağlayın.
  5. ön ve çip yan - iki açıdan optik görüntüleme ayarlayın. çip ön ve yanlarından birine yönlendirilir için aşamaları üzerine yerleştirilmiş iki teleskop kullanın.
  6. sensörün yansıma numunesi üzerinde görünür böylece Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanarak, sensörden 1 um mesafeye örnek taşıyın.
    NOT: SQUID zarar verebilir bu aşamada numune ve sensör arasında bağlantı kurun.
  7. S zarar görmesini önlemek için Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanılarak 1 mm uzakta sensörden - 0.5 örnek TaşıSTERLİN.
  8. Eşit ön açıları elde etmek için hizalama vidaları (Şekil 1a) döndürün (yani, Şekil 1c görüldüğü gibi çipin ucu yanları, onun yansıması ile yapmak açıları).
  9. algılayıcıdan 1 um'lik bir mesafe için örnek getirin. açıları kontrol edin ve gerekirse adım 3.7 ve 3.8 tekrarlayın.
  10. Sensör ve örnek (Şekil 1d) arasında 4 derecelik bir açı elde etmek için hizalama vidaları döndürün. çip ucu numunesi ile temas eder bir parçası olduğundan emin olun.

4. Ölçümler

  1. 4 K soğutma sistemi tarama kafası (Şekil 1a) yükleyin.
    NOT: Tarama kafası soğuk plaka bağlı ve bir vakum can çevrili olmalıdır. Dış manyetik alan (birkaç Gauss düşük alanlar bu çalışma için yeterli) uygulanması için teneke etrafında bir bobin tel. Mu-metal kalkan ile bu kurulumu örtün.
  2. Magne mevcudiyetinde serintik alan, mikroskop çevreleyen bobin üzerinden akım uygulanarak. İstenilen girdap yoğunluğu elde etmek için dikkatli alan kuvvetini seçin. Bekleme süresi alanını hesaplamak için 1Φ 0 = 20.7 G / um 2 kullanın. Örneğin, bir 10 um 10 tarafından um alanında 10 girdapların için, 2.07 G. geçerlidir
  3. (10 K üzerinde, Nb için ısı) süperiletkenlik geçiş sıcaklığının üzerinde yeni bir girdap yoğunluk ısı örnek değiştirmek için. Yeni bir alan uygulayın.
  4. 4.2 K. Serin örnek
  5. manyetik alan kapatın. SQUID açın.
  6. sopa kayma kaba hareket sistemini kullanarak SQUID yakın örnek taşıyın.
    1. KALAMAR çip yakın örnek taşımak için Z-sopa kayma küp artan gerilimler uygulayın.
    2. Bir kapasitans köprüsü (tipik 0.1-1 V) ile kapasitans okumak için konsol ve plaka arasındaki gerilim uygulanmalıdır.
    3. Z piezo elemanı gerilimi Sweep. konsol ve plat arasındaki kapasitans ölçüne. kapasitans büyük bir değişiklik olursa, örnek SQUID çip ile temas halindedir.
    4. Örnek çipi ile temas yapmadıysanız, adımları yineleyin 4.6.1-4.6.3 temas görülünceye kadar.
    5. İsteğe bağlı: o kişi düşük voltajlı (0 - Z piezo uygulanan 10 V) oluşur, böylece ucu ve numune arasındaki mesafeyi ayarlamak için kurs hareketi kullanın.
    6. temas olduğunda, tekrar yüzeyinin eğim açılarının belirlenmesi ve sensöre göre numune düzlemini tanımlamak için çeşitli konumlarda 4.6.2-4.6.3 adımları.
  7. sensöre numunenin taşımak için X ve Y, piezo elemanları üzerindeki voltajı hareket ettirin. Girdap dağılımının haritasının çıkartılması için, uç ve örnek arasındaki temas olmaksızın, örneğin üzerine sabit bir yükseklikte tarar. X ve Y yerlere göre Z piezo gerilimi değiştirerek sabit tarama yüksekliğe ulaşmak ve 4.6 tanımlanan düzleme.
  8. bir girdap seçin ve arou taramand tam da merkezinde konumunu belirlemek için. girdap konum değil temas noktasına, kalamar en pikap döngü göreceli olduğunu unutmayın.
  9. SQUID kapatın.
  10. Bir sonraki girdap merkezine z piezo ve ya musluğa touchdown geriliminden daha yüksek bir gerilim uygulayın ya da istenilen bir yere numune üzerinde yavaş yavaş (numune ile temas halinde) sensörüne sürükleyerek girdap süpürün. girdap dokunun doğru veya süpürme yönde hareket edecektir. Tipik değerler 2-5 V uygulanacak z piezo gerilimine eklemek için
  11. SQUID açın.
  12. temas etmeden sabit bir yükseklikte tekrar görüntü girdap yeni konumunu bulmak için.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Representative Results

Bizim protokolü başarılı bir şekilde Nb, iki numune ve NBN dokuz numunelerdeki tek tek, iyi ayrılmış girdapların bin üzerinde test edilmiştir. Tc Yukarıdaki örnek ısıtılması, ve manyetik alanın varlığında Lütfen 4.2 K soğutmak suretiyle aynı numune üzerinde yeni girdapları oluştururlar. Biz arzu girdap yoğunluğu elde etmek için dış manyetik alan seçti. Biz burada bu deneylerden gelen verileri göstermektedir. Bu sonuçlar, Kremen ve arkadaşları tarafından ayrıntılı olarak tarif edilmiştir. 11.

Burada açıklanan protokol çeşitli konfigürasyonlarda (Şekil 2), girdapların kontrol müdahale edilebilmesini sağlar. Tek girdaplar 1 mm (Şekil 3) kadar mesafeler boyunca taşındı ve yeni yerlerde stabil kaldı.

Şekil 1
Şekil 1. Tarama KALAMAR sistemi. (A) tarama kafası. (B) alanın Genişletilmiş verilmedi çember (a). (C) Numune sensörü ön açısı. açılar a ve çip ve örnek onun yansıması arasındaki β her iki tarafta eşit olmalıdır. (D) detektör ve örnek arasındaki seçilen hizalama açısı. çip ve yansıma arasındaki açı iki kez en az 4 ° olmalıdır istenilen açı vardır. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

şekil 2
Girdapların Şekil 2. Manipülasyon Magne varlığında örnek soğutulduktan sonra (a) İlk yapılandırma mektup B'yi oluşturmak içintik alan. (B) girdapları taşındıktan sonra yeni bir yapılandırma, mektup B şeklindeki bu rakamın daha büyük bir versiyonunu görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Şekil 3,
820 mikron bir mesafe üzerinden sürükleyerek, bir tek girdap 3. Çeşitli manipülasyonlar Şekil. Ankastre: (a) tek bir girdap. Anahtar deliği şekli manyetik sinyal ve sensörün nokta dağılım fonksiyonu arasında konvolüsyon kaynaklanmaktadır. (B) SQUID ile temas halinde bir tarama döndü. girdap ilk konumu resmin solunda yer almaktadır. girdap sağ ucunda ve artık hamle olarak taşındı kadar sinyalin tepe, vorteks ile sağa hareket eder. (C) temas halinde bir tarama bir kroki.tarama alınan girdap konum ucundan mahsup pikap döngü, göreli ise sensörün ucu, numune ile temas kurmaya ilk. Bu rakamın büyük halini görmek için lütfen buraya tıklayınız.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Discussion

vortices Başarılı manipülasyon birçok kritik adımlar bağlıdır. Çip ucu numunesi ile temas kurmaya ilk olacak şekilde, bir açıyla sensörü hizalamak için önemlidir. İkinci olarak, örnek üzerine uygulanan kuvvet çip monte edilir konsol mekanik özellikleri ile belirlenir dikkat etmek önemlidir. Elastik rejimde, uygulanan kuvvet Hooke yasasına göre, saptırma, x orantılıdır:
F = -kx

Burada K malzemenin Young modülü ve fiziksel boyutları tarafından belirlenen yay sabiti vardır ve verilir
k = Et 3 / 4L 3 W

Burada, E, Young modülüdür genişliği ve L uzunluğu, W, T, kirişin kalınlığıdır. Bir bakır konsol için, E = 117 GPa. Bizim konsol k = 0.35 N / m vermek, hangi 3 mm genişliğinde ve 10.7 mm uzunluğunda, 0.017 mm kalınlığında oldu. Z piezo gerilim 1 V belo ikengol W, saptırma 1.6 um idi. Bu 0.56 μN bir kuvvet verir. Istenilen kuvveti elde etmek için, düzgün konsol malzeme ve boyutlar seçmek önemlidir.

SQUID tarafından taranan olarak girdap yeri alma döngü göreceli olduğuna dikkat etmek de önemlidir ve temas noktası çip ve parlatma boyutuna göre pikap döngü yerinden emin olun. Bu yer değiştirme çipin ucu girdap yere yakın temas edinceye sigortalamak için dokunun olay veya kişi tarama konumunu seçerken hesaba olmaktır.

Bir girdap, numune içine sert ucu iterek daha uzun bir süre için örnek basarak veya çivileme kuvvetini aşabilmesi ve vorteks yerinden edebilir numune üzerinde daha yavaş ucu sürükleyerek daha fazla stres uygulayarak, temas taradıktan sonra yerinden değil ise.

Örnek işlenmesini hafızasını yoktuüzerinde; Bu süperakıskan yoğunluğa karşı gelen bir numune diamagnetizma bir değişiklik, hem de numunenin topografyasına değişiklik olmadı. Yeni girdap konfigürasyonları yeniden ısıtma ve önceki manipülasyon ya da 11 belleği göstermemiştir manyetik alanın varlığında, soğutulduktan sonra oluşturulan.

Önerilen yöntem, iletişim alanına ve büyüklüğü ile sınırlıdır. teknik ince ayar vortekslerini yer potansiyeline sahiptir, ancak bugüne kadar biz (100 nm kadar 1 um) yonga oldukça büyük, cilalı ipuçları için protokol yeteneklerini ortaya koymuştur. ucu Karakterizasyonu suşu degradeler bilmek için gereklidir.

Sonuç olarak, protokol düşük sıcaklıklarda ve numunenin daha fazla üretim olmadan ince filmlerin süperiletken bireysel girdapların manipülasyon için izin verir. tasarımında uygulamalar olabilir girdapların konumunu kontrol etme yeteneği Hakimtemelli mantık kapıları, yanı sıra diğer vortices, kafes ve diğer manyetik parçacıklarla vortices etkileşimleri çalışma akı.

Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.

Acknowledgements

Biz süperiletken filmler sağlamak için Bar-Ilan Üniversitesi'nden A. Sharoni teşekkür ederim. Bu araştırma, Avrupa Araştırma Konseyi Hibe ERC-2014-STG- 639792 tarafından desteklenen, Marie Curie Kariyer Entegrasyon Hibe FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799 ve İsrail Bilim Vakfı Hibe 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

DOWNLOAD MATERIALS LIST

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).

Comments

0 Comments


    Post a Question / Comment / Request

    You must be signed in to post a comment. Please or create an account.

    Video Stats