由当地接触式扫描涡操纵SQUID研究

摘要

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.

摘要

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.

引言

涡流是在纳米磁性物体，形成在2型超导体在外部磁场的存在。在一无缺陷样品，旋涡可以自由移动。然而，在材料的结果，其中对于旋涡能量上有利的降低超导区域不同的缺陷。涡流倾向于装饰这些区域，也被称为钉扎部位。在这种情况下，移动一个涡流所需的力必须大于钉扎力越大。的涡流，如涡流密度，相互作用的强度和范围的性质，可以通过外部场，温度，或样品的几何形状容易地确定。控制这些性质的能力使得它们成为凝聚态行为可以容易地调整，以及合适的候选者良好的模型系统用于电子应用的^1，2。个别旋涡的位置的控制是这样的LO的设计必需gical元素。

磁性纳米粒子的机械控制之前已经完成。 Kalisky 等。最近使用扫描超导量子干涉仪（SQUID）研究局部机械应力对铁磁补丁复合氧化物接口³的影响。他们能够通过扫描在接触来改变贴片的方向，按压SQUID的尖端到样品，在这个过程施加到1μN的力。我们已在以移动涡流应用于我们的协议类似的方法。

在涡流操纵现有的研究，运动通过施加电流到样品来实现，从而产生洛伦兹力^4，5，6。虽然这种方法是有效的，它不是本地的，并且为了控制单个涡流，则需要额外的制造。涡也可以MANIPulated通过用磁力显微镜（MFM）或用SQUID励磁线圈^7,8施加外部磁场，例如。这个方法是有效的和局部的，但这些工具所施加的力小，并且只能在高温下，接近超导体的临界温度克服钉扎力。我们的协议允许在低温（4 K）的有效，本地操作没有样品的额外的制造。

我们用扫描显微镜SQUID形象旋涡。该传感器被制造被抛光成一个角，并粘接在柔性悬臂的硅芯片上。悬臂用于表面的电容传感。该芯片被放置在一个角度的样品，使得接触点是在芯片的顶端。我们通过推动芯片放入样品申请高达2μN的力量。我们移动相对SQUID样品由压电元件。我们移动旋涡通过点击硅尖旁边的一个旋涡，或通过清扫它，触摸旋涡。

研究方案

1.访问扫描SQUID系统

1. 使用扫描SQUID系统，其包括芯片^9，10，粘滑粗略运动阶段，以及用于精细运动的基于压电的扫描器上制造一个SQUID传感器。 见图1。
2. 擦亮鱿鱼片绕成圈拾音一个角落。芯片的材料需要被去除一路拾取循环。
   1. 轻轻打磨鱿鱼，使用5到0.5微米的非磁性抛光纸。
      注:在抛光阶段之后拾取器环可以带入接近或接触时，与样品。

2.铌（Nb）的薄膜与直流（DC）溅射沉积

1. 得到的基板。在这项工作中，使用具有氧化硅的500nm的掺硼的硅衬底。如钛酸锶和MgO其它基底是可能的。
2. 到达基地pressu重10 ^-7乇的在腔室中。预溅射在2.4毫乇的1.8埃/ s的10分钟的沉积速率的压力在室温下用99.95％的Nb靶的蒸发室，在氩气环境中。注意，当在腔室中的基准压力小于10 ^-7乇沉积过程只能启动。如果压力较高的重复预溅射阶段。
3. 放置基板在腔室中。
4. 存款铌薄膜通过在含有1.8埃/秒的沉积速率2.4毫托的压力在从99.95％的Nb靶室温溅射，在氩气环境中。

3.样本尖对准

1. 在此阶段，对准传感器芯片与样本，使得运动的旋涡当芯片的顶端，使与样品接触。为了实现这一点，使用至少4°的取向角度。
2. 胶上的导电板的柔性悬臂有介电层。然后，胶SQUID志P的悬臂。悬臂和一个静态板之间的电容确定与样品和应力的施加程度的接触。
3. 在显微镜载样本。样品粘到一个指定样品用清漆或银膏装入。胶安装于Z压电元件（ 图1a）。
4. 在粘滑粗运动系统连接到控制器。
5. 的正面和芯片的侧 - 从两个角度设置光学成像。使用两个望远镜放置在翻译阶段，定向到芯片的正面和其一侧。
6. 使用Z粘滑粗略运动阶段，从传感器移动样品为1微米的距离，以使该传感器的反射是在样品上可见的。
   注意:在这个阶段的样本和传感器之间的接触可能会伤害乌贼。
7. 移动样品0.5 - 从传感器1毫米远使用Z粘滑粗略运动阶段，以防止向S损坏镑。
8. 旋转定位螺钉（ 图1a），以获得等于前方角度（ 即，角芯片的前端的侧面使得与它的反射， 如图1c所示）。
9. 移动样品至1微米距离传感器的距离。检查的角度，必要时重复步骤3.7和3.8。
10. 旋转定位螺钉，以得到的传感器和样品（ 图1d）之间4度的角度。确保芯片的前端部，其与样品接触的部分。

4.测量

1. 扫描头（ 图1a）加载到4K的冷却系统。
   注:扫描头应该被连接到一个冷板，并通过真空罐包围。导线围绕所述罐的线圈施加外部磁场（几个高斯低字段是足够本研究）。盖此设置与睦金属屏蔽。
2. 酷派在马格纳的存在抽动领域，通过周围的显微镜线圈通电。仔细选择的场强以达到所需涡流密度。使用_1Φ0 = 20.7克/ ^平方微米来计算冷却时间字段。例如，对于在10微米10微米的区域10的涡流，申请2.07 G。
3. 为了改变上述超导转变温度的新型涡密度热样品（铌，加热至10 K）。应用新领域。
4. 酷样品4.2 K.
5. 关闭磁场关闭。打开鱿鱼。
6. 靠拢使用粘滑粗运动系统鱿鱼样品。
   1. 适用于Z-粘滑立方体增加电压移动样品接近SQUID芯片。
   2. 应用该悬臂和板之间的电压，用于读取使用电容电桥（0.1-1 V典型的）的电容。
   3. 扫在Z压电元件上的电压。测量悬臂与高原之间的电容即如果出现在电容大的变化，所述样品与所述SQUID芯片接触。
   4. 如果样品没有做出与芯片接触，重复步骤4.6.1-4.6.3，直到接触观察。
   5. 可选:使用场运动来调节针尖与样品之间的间隔，因此，接触发生在低电压（0 - 10伏施加在Z压电）。
   6. 一旦有接触，重复在多个位置，以确定所述表面的倾斜角，并确定样品的相对于传感器的平面，步骤4.6.2-4.6.3。
7. 扫，以相对于所述传感器的样品移动的X和Y压电元件上的电压。扫描在恒定高度的样品上方，而不针尖与样品之间的接触，以图涡旋分布。由根据X和Y的位置在Z压电改变电压达到一恒定扫描高度，并在4.6限定的平面。
8. 选择一个旋涡和扫描腌肉第二它精确地确定其中心的位置。注意，涡流位置是相对于所述SQUID的拾取器循环，而不是到接触点。
9. 关闭SQUID关闭。
10. 施加电压是比接地电压于z压电和任一抽头更大旁边的涡流中心或通过在样品上缓慢拖动传感器（在与样品接触）到所需的位置扫涡流。涡流将致力于水龙头或扫方向移动。典型的值添加到施加ž压电电压是2-5 V.
11. 打开鱿鱼。
12. 再次图像在一个恒定的高度，而不接触到定位涡流的新位置。

结果

我们的协议是铌的两个样本，和的NbN的9个样品中数以千计的个人，以及分离涡试验成功。我们通过加热上述锝样品，并在磁场的存在下将其冷却回至4.2K时产生在同一样品新涡流。我们选择了外部磁场以实现所需涡流密度。我们在这里展示这些实验数据。这些结果已经详细通过克里门等人进行了描述。 ^11。

讨论

旋涡的操纵成功取决于几个关键步骤。它以对准传感器成一角度，以使得芯片的末端将是第一个，使与样品接触是重要的。第二，要注意，施加在样品上的力是通过该芯片安装在悬臂的机械特性决定是很重要的。在弹性体制，所施加的力成比例的偏转中，x，根据虎克定律:
F = -kx

其中k是弹簧常数，由杨氏模量的材料制成，并且它的物理尺寸决定的，并且由下式给出
K...

材料

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