مسح دراسة الحبار من التلاعب دوامة من الاتصال المحلي

Summary

We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps.

Abstract

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual vortices is necessary in order to study how vortices interact with each other, with the lattice, and with other magnetic objects. Here, we present a protocol for vortex manipulation in thin superconducting films by local contact, without applying current or magnetic field. Vortices are imaged using a scanning superconducting quantum interference device (SQUID), and vertical stress is applied to the sample by pushing the tip of a silicon chip into the sample, using a piezoelectric element. Vortices are moved by tapping the sample or sweeping it with the silicon tip. Our method allows for effective manipulation of individual vortices, without damaging the film or affecting its topography. We demonstrate how vortices were relocated to distances of up to 0.8 mm. The vortices remained stable at their new location up to five days. With this method, we can control vortices and move them to form complex configurations. This technique for vortex manipulation could also be implemented in applications such as vortex based logic devices.

Introduction

الدوامات هي كائنات المغناطيسية على مقياس النانو، التي شكلت في نوع 2 الموصلات الفائقة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. في عينة عيب مجانا، ويمكن الدوامات التحرك بحرية. ومع ذلك، عيوب مختلفة في نتيجة مادية في مناطق انخفاض الموصلية الفائقة التي مواتية بقوة لالدوامات. الدوامات تميل لتزيين هذه المناطق، والمعروف أيضا باسم مواقع تعلق. في هذه الحالة، يجب أن تكون القوة اللازمة لتحريك دوامة أكبر من القوى المثبتة. خصائص الدوامات، مثل كثافة دوامة، قوة التفاعل وطائفة، ويمكن تحديدها بسهولة عن طريق الحقل الخارجي، ودرجة الحرارة، أو الهندسة من العينة. القدرة على التحكم في هذه الخصائص تجعلها نظام نموذجا جيدا للسلوك المادة المكثفة التي يمكن ضبطها بسهولة، فضلا عن المرشحين المناسبين للتطبيقات الالكترونية ^{1، 2.} السيطرة على موقع الدوامات الفردية أمر ضروري لتصميم مثل هذا لوعناصر gical.

قد تحققت المكافحة الميكانيكية النانوية المغناطيسية قبل. Kalisky وآخرون. المستخدمة مؤخرا مسح فائقة التوصيل تدخل الجهاز الكم (الحبار) لدراسة تأثير الإجهاد الميكانيكي المحلي على بقع المغناطيسية في واجهات أكسيد معقدة ^3. انهم كانوا قادرين على تغيير اتجاه التصحيح عن طريق المسح الضوئي في الاتصال، والضغط على غيض من الحبار في العينة، تطبيق قوة تصل إلى 1 μN في هذه العملية. وقد استخدمنا طريقة مماثلة في بروتوكول لدينا من أجل المضي الدوامات.

في الدراسات الموجودة التلاعب دوامة، وقد تحقق الحركة من خلال تطبيق الحالية للعينة، وبالتالي خلق لورنتز القوة ^{4، 5، 6.} بينما هذه الطريقة فعالة، فإنه ليس المحلي، وسعيا للسيطرة على دوامة واحدة، مطلوب تلفيق إضافية. الدوامات ويمكن أيضا أن يكون manipulated من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، على سبيل المثال مع مجهر القوة المغناطيسية (MFM) أو مع لفائف المجال الحبار ^{7 و 8.} هذه الطريقة فعالة والمحلي، ولكن القوة التي تطبقها هذه الأدوات الصغيرة، ويمكن التغلب على القوى المثبتة فقط في درجات حرارة عالية، على مقربة من درجة الحرارة الحرجة للموصل جيد للكهرباء. يسمح بروتوكول لدينا فعالية التلاعب المحلي، في درجات حرارة منخفضة (4 K) دون تلفيق إضافية من العينة.

نحن الدوامات الصورة باستخدام المسح المجهري الحبار. ملفقة الاستشعار عن رقاقة السيليكون الذي مصقول في الزاوية، ولصقها على ناتئ مرونة. يتم استخدام تعزية للاستشعار بالسعة من السطح. يتم وضع رقاقة في زاوية لعينة، بحيث نقطة الاتصال هي على طرف الرقاقة. نحن نطبق قوى تصل إلى 2 μN عن طريق دفع الشريحة في العينة. ننتقل العينة بالنسبة إلى الحبار من قبل عناصر بيزو. ننتقلدوامة من خلال الاستفادة من طرف السيليكون بجانب الدوامة، أو عن طريق تجتاح ذلك، ولمس دوامة.

Protocol

1. الوصول إلى نظام المسح الضوئي الحبار

1. استخدام نظام الحبار المسح التي تضم جهاز استشعار الحبار ملفقة على شريحة ^{9، 10،} عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، والماسح الضوئي على أساس بيزو لحركة غرامة. انظر الشكل 1.
2. تلميع رقاقة الحبار في الزاوية حول حلقة صغيرة. المواد من الشريحة تحتاج إلى إزالة كل وسيلة لحلقة صغيرة.
   1. تلميع بلطف الحبار، وذلك باستخدام ورقة تلميع غير مغنطيسية 5-0،5 ميكرومتر.
      ملاحظة: بعد مرحلة تلميع لا يمكن أن تتحقق في حلقة صغيرة الى مقربة، أو الاتصال، مع العينة.

2. ترسب النيوبيوم (ملحوظة) رقيقة مع التيار المباشر (DC) الاخرق

1. الحصول على الركيزة. في هذا العمل، واستخدام الركيزة السيليكون مخدر البورون مع 500 نيوتن متر من أكسيد السيليكون. ركائز أخرى مثل SrTiO وأهداب الشوق ممكنة.
2. التوصل إلى لض قاعدةإعادة 10 ^-7 عربة في الغرفة. قبل تفل غرفة التبخر في درجة حرارة الغرفة مع ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S لمدة 10 دقيقة. لاحظ أن عملية ترسب يمكن أن تبدأ إلا عندما يكون ضغط قاعدة في الغرفة أقل من 10 ^-7 عربة. إذا كان الضغط أعلى تكرار في مرحلة ما قبل الاخرق.
3. وضع الركيزة في الغرفة.
4. إيداع ملحوظة طبقة رقيقة من قبل الاخرق في درجة حرارة الغرفة من ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S.

3. عينة من طرف محاذاة

1. في هذه المرحلة، محاذاة رقاقة الاستشعار مع العينة بحيث غيض من الشريحة يجعل الاتصال مع عينة عندما تتحرك الدوامات. ولتحقيق ذلك، استخدم زاوية المواءمة بين 4 على الأقل درجة.
2. الغراء ناتئ مرونة على لوحة إجراء بطبقة عازلة. ثم، الغراء تشي الحبارع على تعزية. السعة بين ناتئ ولوحة ثابتة تحدد اتصال مع العينة ومدى الإجهاد المطبق.
3. عينة الحمل على المجهر. الغراء العينة على عينة المعينة جبل استخدام الورنيش أو الفضة عجينة. الغراء جبل لعنصر Z بيزو (الشكل 1A).
4. ربط نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق إلى وحدة تحكم.
5. إعداد التصوير الضوئي من زاويتين - الجبهة والجانب من الشريحة. استخدام اثنين من التلسكوبات وضعت على مراحل الترجمة، وتوجه إلى الجزء الأمامي من رقاقة واحدة من جانبيها.
6. باستخدام Z عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، ونقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار، بحيث انعكاس استشعار مرئيا على العينة.
   ملاحظة: اتصل بين العينة وأجهزة الاستشعار في هذه المرحلة قد تضر الحبار.
7. نقل عينة 0،5-1 ملم بعيدا من أجهزة الاستشعار على استخدام المرحلة Z عصا الانزلاق الخشنة الحركة لمنع الأضرار التي لحقت Sمضغة.
8. تدوير مسامير محاذاة (الشكل 1A) للحصول على زوايا الجبهة متساوية (أي الزوايا الجانبين من طرف شريحة تجعل مع انعكاسه، كما رأينا في الشكل 1C).
9. نقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار. تحقق من الزوايا وكرر الخطوة 3.7 و 3.8 إذا لزم الأمر.
10. تدوير مسامير محاذاة للحصول على زاوية من 4 درجات بين أجهزة الاستشعار والعينة (1D الشكل). تأكد من غيض من رقاقة هو الجزء الذي يجعل الاتصال مع العينة.

4. القياسات

1. تحميل رئيس المسح الضوئي (الشكل 1A) إلى نظام 4 K التبريد.
   يجب أن تكون متصلا رأس المسح الضوئي إلى لوحة الباردة، وتحيط بها علبة فراغ: ملاحظة. سلك لفائف حول العلبة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي (حقول منخفضة من عدة غاوس كافية لهذه الدراسة). تغطية هذا الإعداد مع درع مو المعادن.
2. بارد في وجود ماغنيالحقل عرة، من خلال تطبيق الحالية من خلال لفائف المحيطة المجهر. اختيار قوة المجال بعناية لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. استخدام 1Φ ₀ = 20.7 G / ميكرون ² لحساب الحقل التباطؤ. على سبيل المثال، لمدة 10 الدوامات في 10 ميكرون 10 ميكرون المنطقة، وتطبيق 2.07 G.
3. لتغيير لكثافة دوامة عينة الحرارة جديدة فوق درجة حرارة فائقة التوصيل الانتقال (لملحوظة، والحرارة فوق 10 K). تطبيق الحقل الجديد.
4. عينة باردة إلى 4.2 ك.
5. تحويل المجال المغناطيسي خارج. تحويل الحبار جرا.
6. نقل عينة قريبة من الحبار باستخدام نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق.
   1. تطبيق الفولتية المتزايد على المكعب Z-عصا زلة لنقل عينة أقرب إلى شرائح الحبار.
   2. تطبيق الجهد بين ناتئ ولوحة لقراءة السعة باستخدام جسر السعة (0،1-1 الخامس عادة).
   3. اكتساح التيار الكهربائي عن العنصر Z بيزو. قياس السعة بين ناتئ وبلاته. إذا حدث تغيير كبير في السعة، وكانت العينة في اتصال مع رقاقة الحبار.
   4. إذا لم العينة اجراء اتصالات مع رقاقة، كرر الخطوات 4.6.1-4.6.3 حتى لوحظ الاتصال.
   5. اختياري: استخدام الحركة بالطبع لضبط التباعد بين طرف والعينة بحيث يحدث الاتصال في الفولتية المنخفضة (0-10 V تطبيقها على Z بيزو).
   6. ذات مرة كان هناك اتصال، كرر الخطوات من 4.6.2-4.6.3 في عدة مواقع من أجل تحديد زوايا الميل للسطح وتحديد الطائرة من العينة، نسبة إلى أجهزة الاستشعار.
7. اكتساح التيار الكهربائي عن العناصر X و Y بيزو من أجل تحريك العينة بالنسبة إلى أجهزة الاستشعار. مسح على ارتفاع ثابت فوق عينة، من دون اتصال بين طرف والعينة، وذلك لرسم خريطة توزيع دوامة. تحقيق ارتفاع المسح المستمر عن طريق تغيير الجهد على بيزو Z وفقا لمواقع X و Y، والطائرة المحددة في 4.6.
8. اختيار دوامة ومسح أروالثانية أن تحدد بدقة موقع وسطها. لاحظ أن الموقع دوامة نسبة إلى حلقة صغيرة الحبار، وليس لجهة الاتصال.
9. تحويل الحبار قبالة.
10. تطبيق الجهد أكبر من هبوط الجهد لض بيزو وإما الصنبور بجوار مركز الدوامة أو كنس دوامة عن طريق سحب أجهزة الاستشعار (في اتصال مع عينة) ببطء على العينة إلى الموقع المطلوب. فإن دوامة التحرك نحو الصنبور أو في الاتجاه الكاسح. القيم النموذجية لإضافتها إلى تطبيق ض بيزو الجهد هي 2-5 V.
11. تحويل الحبار جرا.
12. الصورة مرة أخرى على ارتفاع مستمر من دون اتصال لتحديد الموقع الجديد من دوامة.

النتائج

تم اختبار بروتوكول لدينا بنجاح على الآلاف من الأفراد الدوامات، وفصلها بشكل جيد في عينتين من ملحوظة، وتسعة عينات من NBN. نحن توليد الدوامات الجديدة على نفس العينة عن طريق تسخين العينة فوق ح، والتبريد مرة أخرى إلى 4.2 K في وجود مجال مغناطيسي. لقد اخترنا م?...

Discussion

التلاعب الناجح من الدوامات يعتمد على عدة خطوات حاسمة. ومن المهم لتحقيق المواءمة بين أجهزة الاستشعار في زاوية، بحيث غيض من رقاقة سيكون أول لاجراء اتصالات مع العينة. ثانيا، من المهم أن نلاحظ أن القوة المبذولة على عينة يتم تحديدها من قبل الخواص الميكانيكية للناتئ أن يت?...

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