Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

Zusammenfassung

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.

Zusammenfassung

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.

Einleitung

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.

Protokoll

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.

Ergebnisse

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.

Diskussion

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

Materialien

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