Wir danken A. Sharoni von der Bar-Ilan-Universität für die supraleitenden Filme bereitstellt. Diese Forschung wurde unterstützt durch European Research Council ERC Grants-2014-STG- 639.792, Marie-Curie-Career Integration Grants FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, und Israel Science Foundation Grant ISF-1102-1113.

1. Der Zugang zu einem Scanning SQUID-System <ol><li> 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. </li><li> 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. <ol><li> 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. </li></ol></li></ol> 2. Deposition von Niobium (Nb) Thin Film mit Gleichstrom (DC) Sputtering <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Platzieren Substrat in der Kammer. </li><li> 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. </li></ol> 3. Probe-Spitze Ausrichtung <ol><li> 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. </li><li> 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. </li><li> 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). </li><li> Schließen Sie die Stick-Slip-Grobbewegungssystem mit einem Controller. </li><li> 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. </li><li> Unter Verwendung der Z-Stick-Slip-Grobbewegungstisch, bewegen Sie die Probe auf einen Abstand von 1 &amp; 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. </li><li> 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. </li><li> 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 ). </li><li> Bewegen der Probe in einem Abstand von 1 &amp; mgr; m von dem Sensor. Überprüfen Sie die Winkel und wiederholen Sie Schritt 3.7 und 3.8, wenn nötig. </li><li> 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. </li></ol> 4. Messungen <ol><li> 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. </li><li> 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 / &amp; mgr; m 2 die Abklingzeit Feld zu berechnen. Beispielsweise für 10 Wirbel in einer 10 &amp; mgr; m bis 10 &amp; mgr; m-Bereich, gelten 2,07 G. </li><li> Für oberhalb der Sprungtemperatur zu einer neuen Wirbeldichte Wärmeprobenwechsel (für Nb, Hitze über 10 K). Wenden Sie das neue Feld. </li><li> Kühle Probe auf 4,2 K. </li><li> Schalten Magnetfeld ab. Drehen Sie SQUID auf. </li><li> Bewegen Sie die Probe nahe an dem SQUID mit dem Stick-Slip-Grobbewegungssystem. <ol><li> Nehmen zunehmende Spannungen auf der Z-Stick-Slip-Würfel die Probe näher an den SQUID-Chip zu bewegen. </li><li> Anwenden Spannung zwischen dem Ausleger und der Platte zum Lesen der Kapazität einer Kapazitätsbrücke unter Verwendung von (0,1-1 V typisch). </li><li> 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. </li><li> Wenn die Probe nicht mit dem Chip gemacht haben Kontakt, Schritte wiederholen 4.6.1-4.6.3, bis der Kontakt beobachtet wird. </li><li> 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. </li><li> 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. </li></ol></li><li> 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. </li><li> 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. </li><li> Schalten SQUID aus. </li><li> 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 </li><li> Drehen Sie SQUID auf. </li><li> Bild erneut auf einer konstanten Höhe ohne Kontakt, um die neue Position des Wirbels zu lokalisieren. </li></ol>

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<li>Kremen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed?term=((Mechanical+Control+of+Individual+Superconducting+Vortices%5BTitle%5D)+AND+%22Nano+Lett%22%5BJournal%5D)">Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices.</a> Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).</li>
</ol>

The authors have nothing to disclose.

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 Wobei k die Federkonstante, bestimmt durch Elastizitätsmodul des Materials und seine physikalischen Abmessungen, und ist gegeben durch k = Et 3 w / 4l 3 Hier E Young-Modul ist, t die Dicke des Balkens, w die Breite und L die Länge. Für einen Kupfer Cantilever, E = 117 GPa. Unsere Cantilever war 0,017 mm dick, 3 mm breit und 10,7 mm lang, die k = 0,35 N / m ergeben. Wenn die Spannung in der Z-Piezo betrug 1 V below Landung war die Ablenkung von 1,6 um. Daraus ergibt sich eine Kraft von 0,56 &amp; mgr; N. Es ist wichtig, den Cantilever Material und Dimensionen richtig zu wählen, um die gewünschte Kraft zu erhalten. Es ist auch wichtig, dass die Position des Wirbels zu beachten, wie durch den SQUID abgetastet zu der Aufnahmeschleife relativ ist, und daß der Kontaktpunkt von der Aufnahmeschleife versetzt entsprechend der Größe des Chips und dem Polieren. Diese Verschiebung ist zu bilanzieren, wenn die Lage des Hahns Veranstaltung wählen oder den Kontakt-Scan, um sicherzustellen, dass die Spitze des Chipkontakt in der Nähe des Wirbel Lage macht. Wenn ein Wirbel wurde nach dem Scannen in Kontakt nicht verschoben, mehr Stress Anwendung durch die Spitze härter in die Probe Schieben, Drücken Sie die Probe für einen längeren Zeitraum oder Ziehen der Spitze langsamer über die Probe kann helfen, die Pinning-Kraft zu überwinden und den Wirbel verrücken. Die Probe zeigte keine Erinnerung an die manipulatiauf; Wir beobachteten keine Änderung der Diamagnetismus der Probe, auf die suprafluiden Dichte entspricht, sowie keine Änderung der Topographie der Probe. Neue Wirbelaufbauten nach dem Aufwärmen und Abkühlen in Gegenwart des Magnetfeldes erzeugt nicht Erinnerung an früheren Manipulationen zeigten entweder 11. Unsere Methode ist durch die Größe der Kontaktstelle begrenzt. Die Technik hat das Potential für die Feinabstimmung der Position von Wirbeln, aber bis jetzt haben wir die Fähigkeiten des Protokolls für ziemlich groß, polierte Spitzen des Chips (von 100 nm bis 1 &amp; mgr; m) gezeigt. Die Charakterisierung der Spitze ist erforderlich, um die Dehnungsgradienten kennen. Abschließend ermöglicht unser Protokoll für die Manipulation einzelner Wirbel in Dünnfilmen bei niedrigen Temperaturen supraleitend und ohne weitere Herstellung der Probe. Die Beherrschung der Fähigkeit, die Lage der Wirbel zu steuern Anwendungen im Design haben können vonFlußmittel auf Basis Logikgattern sowie bei der Untersuchung von Wechselwirkungen von Wirbeln mit anderen Wirbel, dem Gitter und andere magnetische Teilchen.

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 &amp; 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 &amp; 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.

<table><tbody><tr><td>stick slip coarse motion system</td><td>attocube</td><td>ANPx-101</td><td>x,y motion</td></tr><tr><td>stick slip coarse motion system</td><td>attocube</td><td>ANPz-101</td><td>z motion</td></tr><tr><td>stick slip coarse motion system controller</td><td>Attocube</td><td>ANC 300</td><td></td></tr><tr><td>high voltage amplifier</td><td>Attocube</td><td>ANC 250</td><td></td></tr><tr><td>data acquisition card</td><td>National Instruments</td><td>NI&amp;nbsp;PCIe-6363</td><td></td></tr><tr><td>piezo elements</td><td>Piezo Systems Inc</td><td>T2C</td><td>non magnetic</td></tr><tr><td>low noise voltage preamplifier</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR 560</td><td></td></tr><tr><td>capacitance bridge</td><td>General Radio</td><td>1615A</td><td></td></tr><tr><td>telescope</td><td>NAVITAR</td><td>1-504516</td><td></td></tr><tr><td>camera</td><td>MOTICAM</td><td>MP2</td><td></td></tr><tr><td>dewar</td><td>Cryofab</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>insert</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Mu-metal shield</td><td>Amuneal</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>vacuum cap</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>sputtering system</td><td>AJA international Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>lapping film</td><td>3M</td><td>261X</td><td>non magnetic</td></tr><tr><td>Nb target</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTNBXX351A2</td><td></td></tr><tr><td>GE Varnish</td><td>CMR-Direct</td><td>02-33-001</td><td>for cryogenic heatsinking</td></tr><tr><td>Silver paste</td><td>Structure Probe Inc</td><td>05063-AB</td><td></td></tr></tbody></table>

scanning squid study of vortex manipulation by local contact

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.

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. 11. Das hier beschriebene Protokoll ermöglicht eine kontrollierbare Manipulation von Wirbeln in verschiedenen Konfigurationen (Abbildung 2). Einzelne Wirbel wurden über Entfernungen von bis zu 1 mm (Abbildung 3) bewegt, und blieb stabil an ihren neuen Standorten. <img alt="Abbildung 1" src="/files/ftp_upload/54986/54986fig1.jpg" /> Abbildung 1. Scanning SQUID - System. (A) Der Scankopf. (B) Das große Foto des Gebiets , in eingekreist (a). (C) Probe-Sensor Frontwinkel. Die Winkel a und β zwischen dem Chip und seiner Reflexion von der Probe sollte auf beiden Seiten gleich sein. (D) Die gewählte Ausrichtungswinkel zwischen dem Sensor und der Probe. Der Winkel zwischen dem Chip und der Reflexion ist das Doppelte der gewünschten Winkel, die mindestens 4 ° sein sollte. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig1large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 2" src="/files/ftp_upload/54986/54986fig2.jpg" /> Abbildung 2. Manipulation von Wirbeln nach Abkühlen der Probe in Gegenwart von Magne den Buchstaben B (a) Anfangskonfiguration zu bildentic Feld. (B) Eine neue Konfiguration nach der Wirbel bewegen, in der Form des Buchstaben B. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig2large.jpg" target="_blank">Bitte hier klicken</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig2large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a> <img alt="Figur 3" src="/files/ftp_upload/54986/54986fig3.jpg" /> Abbildung 3. Verschiedene Manipulationen eines einzelnen Wirbel, es über eine Strecke von 820 &amp; mgr; m ziehen. Kleines Bild: (a) Ein einziger Wirbel. Die Schlüssellochform ist aufgrund zwischen dem magnetischen Signal und des Sensors Punktbildfunktion zur Faltung. (B) eine Abtastung in Kontakt mit dem SQUID eingeschaltet. Die anfängliche Position des Wirbels ist an der linken Seite des Bildes. Die Spitze des Signals bewegt sich nach rechts mit dem Wirbel, bis der Wirbel am rechten Ende und bewegt sich nicht mehr verlegt wird. (C) Eine Skizze eines Scans in Kontakt. DasSpitze des Sensors ist der erste Kontakt mit der Probe zu machen, während die Wirbel Lage vom Scan empfangenen relativ zu der Aufnahmeschleife, die von der Spitze versetzt ist. <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig3large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier</a> , um <a href="http://ecsource.jove.com/files/ftp_upload/54986/54986fig3large.jpg" target="_blank">eine größere Version dieser Figur zu sehen.</a>

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Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

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.

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Serie: Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

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We designed a self-contained, portable device that operates independent of any connection to the surface, and can provide quantitative measurements of the flow field surrounding an animal. This apparatus, a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA), can be operated by a single scuba diver in depths up to 40 m. Due to the added complexity inherent of field conditions, additional considerations and preparation are required when compared to laboratory measurements. These considerations include, but are not limited to, operator motion, predicting position of swimming targets, available natural suspended particulate, and orientation of SCUVA relative to the flow of interest. The following protocol is intended to address these common field challenges and to maximize measurement success.

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA

This protocol provides instructions on how to use a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA), which is designed for quantification of in situ animal-generated flows. In addition, this protocol addresses challenges posed by field conditions, and includes operator motion, predicting position of animals, and orientation of SCUVA.

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Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

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Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building blocks in a bottom-up approach is still open. The scanning probe microscope (SPM) could be a tool of choice; however, SPM-based manipulation was until recently limited to two dimensions (2D). Binding the SPM tip to a molecule at a well-defined position opens an opportunity of controlled manipulation in 3D space. Unfortunately, 3D manipulation is largely incompatible with the typical 2D-paradigm of viewing and generating SPM data on a computer. For intuitive and efficient manipulation we therefore couple a low-temperature non-contact atomic force/scanning tunneling microscope (LT NC-AFM/STM) to a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles. This setup permits &#34;hand controlled manipulation&#34; (HCM), in which the SPM tip is moved according to the motion of the experimenter&#39;s hand, while the tip trajectories as well as the response of the SPM junction are visualized in 3D. HCM paves the way to the development of complex manipulation protocols, potentially leading to a better fundamental understanding of nanoscale interactions acting between molecules on surfaces. Here we describe the setup and the steps needed to achieve successful hand-controlled molecular manipulation within the virtual reality environment.

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

Hand kontrollierte Manipulation einzelner Moleküle über ein Rastersondenmikroskop mit einer 3D-Virtual-Reality-Schnittstelle

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

Untersuchung der dreidimensionalen Strömungstrennung, die durch ein Modell Vocal Fold Polyp induziert wird

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline. This method involves the implementation of a pipeline vibration system in a straight flume, a time-resolved particle image velocimetry (PIV) system for pipeline displacement tracking and flow fields measurements. The displacement time-series of the vibrating pipeline are obtained by using the cross-correlation algorithms. The steps for processing raw particle laden images obtained by using the time-resolved PIV are described. The detailed instantaneous flow fields around the vibrating pipeline at different vibrating phases are calculated by using a multiple-time-interval cross-correlation algorithm to avoid displacement bias error in the flow regions with a large velocity gradient. By applying the wavelet transform technique, the captured images that have the same vibrating phase are accurately cataloged before the phase-averaged velocity fields are obtained. The key advantages of the flow measurement technique described in this paper are that it has a very high temporal and spatial resolution and can be simultaneously used to obtain the pipeline dynamics, flow fields, and near-boundary flow stresses. By using this technique, more in-depth studies of the 2-dimensional flow field in a complex environment, such as that around a vibrating pipeline, can be conducted to better understand the associated sophisticated scour mechanism.

The goal of the protocol is to enable visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline.

Visualisierung des Strömungsfeldes um eine vibrierende Pipeline innerhalb eines Gleichgewichts-Scour-Lochs

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...

Umwelt

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

Herstellung von magnetische Nanostrukturen auf Silizium-Nitrid Membranen für magnetische Wirbel Studien mit Übertragungstechniken Mikroskopie

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

In Vitro Reconstitution of Spatial Cell Contact Patterns with Isolated Caenorhabditis elegans Embryo Blastomeres and Adhesive Polystyrene Beads

In multicellular systems, individual cells are surrounded by the various physical and chemical cues coming from neighboring cells and the environment. This tissue complexity confounds the identification of causal link between extrinsic cues and cellular dynamics. A synthetically reconstituted multicellular system overcomes this problem by enabling researchers to test for a specific cue while eliminating others. Here, we present a method to reconstitute cell contact patterns with isolated Caenorhabditis elegans blastomere and adhesive polystyrene beads. The procedures involve eggshell removal, blastomere isolation by disrupting cell-cell adhesion, preparation of adhesive polystyrene beads, and reconstitution of cell-cell or cell-bead contact. Finally, we present the application of this method to investigate the orientation of cellular division axes that contributes to the regulation of spatial cellular patterning and cell fate specification in developing embryos. This robust, reproducible, and versatile in vitro method enables the study of direct relationships between spatial cell contact patterns and cellular responses.

In Vitro Reconstitution of Spatial Cell Contact Patterns with Isolated Caenorhabditis elegans Embryo Blastomeres and Adhesive Polystyrene Beads

Tissue complexities of multicellular systems confound the identification of causal relationship between extracellular cues and individual cellular behaviors. Here, we present a method to study the direct link between contact-dependent cues and division axes using C. elegans embryo blastomeres and adhesive polystyrene beads.

In Vitro Rekonstitution von räumlichen Zellkontaktmustern mit isolierten Caenorhabditis elegans Embryo Blastomeren und Klebstoff Polystyrol Perlen

In multicellular systems, individual cells are surrounded by the various physical and chemical cues coming from neighboring cells and the environment. ...

Entwicklungsbiologie

Visualizing Membrane Ruffle Formation using Scanning Electron Microscopy

Membrane ruffling is the formation of motile plasma membrane protrusions containing a meshwork of newly polymerized actin filaments. Membrane ruffles may form spontaneously or in response to growth factors, inflammatory cytokines, and phorbol esters. Some of the membrane protrusions may reorganize into circular membrane ruffles that fuse at their distal margins and form cups that close and separate into the cytoplasm as large, heterogeneous vacuoles called macropinosomes. During the process, ruffles trap extracellular fluid and solutes that internalize within macropinosomes. High-resolution scanning electron microscopy (SEM) is a commonly used imaging technique to visualize and quantify membrane ruffle formation, circular protrusions, and closed macropinocytic cups on the cell surface. The following protocol describes the cell culture conditions, stimulation of the membrane ruffle formation in vitro, and how to fix, dehydrate, and prepare cells for imaging using SEM. Quantification of membrane ruffling, data normalization, and stimulators and inhibitors of membrane ruffle formation are also described. This method can help answer key questions about the role of macropinocytosis in physiological and pathological processes, investigate new targets that regulate membrane ruffle formation, and identify yet uncharacterized physiological stimulators as well as novel pharmacological inhibitors of macropinocytosis.

Macropinocytosis is a highly conserved endocytic process initiated by the formation of F-actin-rich sheet-like membrane projections, also known as membrane ruffles. Increased rate of macropinocytotic solute internalization has been implicated in various pathological conditions. This protocol presents a method to quantify membrane ruffle formation in vitro using scanning electron microscopy.

Visualisierung der Membranrüschenbildung mittels Rasterelektronenmikroskopie

Membrane ruffling is the formation of motile plasma membrane protrusions containing a meshwork of newly polymerized actin filaments. Membrane ruffles may ...