La scansione SQUID Studio di Vortex manipolazione da locale Contatto

Riepilogo

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.

Introduzione

Vortici sono oggetti magnetici su scala nanometrica, costituite tipo 2 superconduttori in presenza di campo magnetico esterno. In un campione privo di difetti, vortici possono muoversi liberamente. Tuttavia, diversi difetti nel risultato materiale in regioni di superconduttività ridotta che sono energeticamente favorevole per vortici. Vortici tendono a decorare queste regioni, noti anche come i siti di pinning. In questo caso, la forza necessaria per spostare un vortice deve essere maggiore della forza pinning. Proprietà di vortici, come la densità vortice, forza di interazione e gamma, possono essere facilmente determinati dal campo esterno, la temperatura o la geometria del campione. La capacità di controllare queste proprietà loro un buon sistema modello per il comportamento materia condensata che può essere facilmente regolato, nonché idonei per applicazioni elettroniche ^{1, 2} rende. Il controllo della posizione dei singoli vortici è essenziale per la progettazione di tale loElementi gici.

Controllo meccanico delle nanoparticelle magnetiche era stato raggiunto prima. Kalisky et al. recentemente utilizzato scansione superconduttori dispositivo interferenza quantistica (SQUID) per studiare l'influenza di stress meccanico locale sulla patch ferromagnetici nelle interfacce di ossidi complessi ^3. Sono stati in grado di cambiare l'orientamento del patch di scansione a contatto, premendo la punta del SQUID nel campione, applicando una forza di fino a 1 μN nel processo. Abbiamo usato un metodo simile nel nostro protocollo per spostare vortici.

In studi esistenti di manipolazione vortice, movimento è stata ottenuta applicando corrente al campione, creando così Lorentz forza ^{4, 5, 6.} Mentre questo metodo è efficace, non è locale, e per controllare un singolo vortice, è necessaria fabbricazione aggiuntivo. Vortici possono anche essere manipulated applicando campo magnetico esterno, per esempio con un microscopio a forza magnetica (MFM) o con una bobina di campo SQUID ^{7, 8.} Questo metodo è efficace e locale, ma la forza applicata da questi strumenti è piccola, e può superare la forza pinning solo ad alte temperature, vicino alla temperatura critica del superconduttore. Il nostro protocollo permette efficace, manipolazione locale a basse temperature (4 K) senza ulteriore realizzazione del campione.

Abbiamo vortici di immagini usando la microscopia a scansione SQUID. Il sensore è fabbricato in un chip di silicio che è lucidato in un angolo, e incollato su un cantilever flessibile. Il cantilever viene utilizzato per il rilevamento capacitivo della superficie. Il chip è posto ad un angolo al campione, in modo che il punto di contatto è sulla punta del chip. Applichiamo forze fino a 2 μN spingendo il chip nel campione. Si passa il campione relativo al SQUID da elementi piezoelettrici. Ci muoviamoil vortice toccando la punta di silicio accanto ad un vortice, o da spazzare esso, toccando il vortice.

Protocollo

1. L'accesso a un sistema di scansione SQUID

1. Utilizzare un sistema SQUID di scansione che comprende un sensore SQUID fabbricato su un chip ^{9, 10,} stick slip fase di movimento grossolana, e uno scanner piezo-based per motion fine. Vedere la Figura 1.
2. Lucidare il chip SQUID in un angolo intorno al ciclo pickup. Il materiale del chip deve essere rimosso fino al prelievo del cappio.
   1. lucidare delicatamente il SQUID, utilizzando una carta di lucidatura 5-0,5 micron non magnetico.
      NOTA: Dopo la fase di lucidatura del ciclo pick-up può essere portato in prossimità, o contatto, con il campione.

2. Deposizione di niobio (Nb) Thin Film con corrente continua (DC) di polverizzazione

1. Ottenere un substrato. In questo lavoro, utilizzare un substrato di silicio di boro drogato con 500 nm di ossido di silicio. Altri substrati come SrTiO e MgO sono possibili.
2. Raggiungere una base di PRESSUre di 10 ^-7 Torr nella camera. Pre-sputter camera di evaporazione a temperatura ambiente con un obiettivo Nb 99,95%, in ambiente argon ad una pressione di 2,4 mTorr con una velocità di deposizione di 1,8 Å / s per 10 min. Si noti che il processo di deposizione può iniziare solo quando la pressione nella camera di base è inferiore a 10 ^-7 Torr. Se la pressione è più alta ripetere la fase di pre-sputtering.
3. Posizionare substrato nella camera.
4. Deposito Nb film sottile per sputtering a temperatura ambiente su un bersaglio Nb 99,95%, in ambiente argon ad una pressione di 2,4 mTorr con una velocità di deposizione di 1,8 Å / s.

3. Il campione-tip Allineamento

1. In questa fase, allineare il sensore chip con il campione in modo che la punta del chip entra in contatto con il campione che si spostano i vortici. Per ottenere questo, utilizzare un angolo di allineamento di almeno 4 °.
2. Colla un cantilever flessibile su una piastra di condotta con uno strato dielettrico. Quindi, incollare il chi SQUIDp sul cantilever. La capacità tra il cantilever e una piastra statico determina il contatto con il campione e la portata della sollecitazione applicata.
3. campione del carico sul microscopio. Incollare il campione ad un campione designato montaggio utilizzando una pasta vernice o argento. Incollare il supporto per l'elemento Z piezoelettrico (Figura 1a).
4. Collegare il sistema di movimento grossolano stick slip a un controller.
5. Impostare imaging ottico da due angolazioni - parte anteriore e il lato del chip. Utilizzare due telescopi posti su fasi di traduzione, diretto verso la parte anteriore del chip e uno dei suoi lati.
6. Utilizzando il stick slip fase di movimento grossolani Z, spostare il campione ad una distanza di 1 micron dal sensore, in modo che la riflessione del sensore è visibile sul campione.
   NOTA: Il contatto tra il campione e il sensore in questa fase possono danneggiare la SQUID.
7. Spostare il campione di 0,5 - 1 mm di distanza dal sensore utilizzando la fase Z stick slip movimento grossolana per evitare di danneggiare l'SQUID.
8. Ruotare le viti di allineamento (Figura 1a) per ottenere angoli anteriori uguali (cioè, angoli ai lati della punta del chip fanno con la sua riflessione, come si vede in Figura 1c).
9. Spostare il campione ad una distanza di 1 micron dal sensore. Controllare gli angoli e ripetere il punto 3.7 e 3.8, se necessario.
10. Ruotare le viti di allineamento per ottenere un angolo di 4 gradi tra il sensore e il campione (Figura 1d). Assicurarsi che la punta del chip è la parte che entra in contatto con il campione.

4. Misure

1. Caricare la testa di scansione (Figura 1a) ad un sistema 4 K raffreddamento.
   NOTA: Testina di scansione deve essere collegato a un piatto freddo, e circondato da una lattina di vuoto. Collegare una bobina attorno alla latta di applicazione di campo magnetico esterno (bassi campi di vari Gauss sono sufficienti per questo studio). Coprire questa configurazione con uno scudo Mu-metal.
2. Raffreddare in presenza di magnecampo tic, applicando corrente attraverso la bobina che circonda il microscopio. Scegliere accuratamente l'intensità di campo per ottenere la densità desiderata vortex. Utilizzare 1Φ ₀ = 20,7 G / micron ² per calcolare il campo cooldown. Ad esempio, per 10 vortici in 10 micron dalla superficie 10 um, applicano 2.07 G.
3. Per il passaggio ad un nuovo campione di calore densità vortice di sopra della temperatura di transizione superconduttore (per NB, di calore superiore a 10 K). Applicare il nuovo campo.
4. Raffreddare campione a 4,2 K.
5. Girare campo magnetico fuori. Accendere SQUID su.
6. Spostare il campione vicino al SQUID utilizzando il sistema di movimento grossolano stick slip.
   1. Applicare tensioni crescenti sul cubo Z-stick slip per spostare il campione più vicino al chip SQUID.
   2. Applicare la tensione tra la mensola e la piastra per leggere la capacità utilizzando un ponte capacità (0,1-1 V tipicamente).
   3. Sweep la tensione sull'elemento Z piezoelettrico. Misurare la capacità tra la mensola e la piattaformae. Se si verifica una grande variazione della capacità, il campione è in contatto con il chip SQUID.
   4. Se il campione non ha fatto il contatto con il chip, ripetere i punti 4.6.1-4.6.3 fino a quando si osserva il contatto.
   5. Opzionale: Utilizzare motion corso per regolare la distanza tra la punta e il campione in modo che il contatto avviene a basse tensioni (0 - 10 V applicata al piezo Z).
   6. Una volta che vi sia un contatto, ripetere i punti 4.6.2-4.6.3 in diverse posizioni per determinare gli angoli di inclinazione della superficie e per definire il piano del campione, rispetto al sensore.
7. Sweep la tensione sugli elementi X e Y piezoelettrici per spostare il campione rispetto al sensore. Scansione ad un'altezza costante sopra il campione, senza contatto tra la punta e il campione, per mappare la distribuzione vortice. Ottenere una altezza scansione costante variando la tensione sul piezo Z secondo le posizioni X e Y, e al piano definito in 4.6.
8. Scegli un vortice e scansione arouND di determinare con precisione la posizione del suo centro. Si noti che la posizione vortice è relativo al prelievo del cappio del SQUID, non al punto di contatto.
9. Girare SQUID off.
10. Applicare una tensione che è superiore alla tensione touchdown alla z piezo eo rubinetto vicino al centro del vortice o spazzare il vortice trascinando il sensore (a contatto con il campione) lentamente il campione ad una posizione desiderata. Il vortice si muoverà verso il rubinetto o in senso ampio. Valori tipici per aggiungere alla tensione piezo z applicata sono 2-5 V.
11. Accendere SQUID su.
12. Immagine nuovamente ad un'altezza costante senza contatto per individuare la nuova posizione del vortice.

Risultati

Il nostro protocollo è stato testato con successo su migliaia di singoli, vortici ben separati in due campioni di Nb, e nove campioni di NbN. Noi generiamo nuovi vortici sullo stesso campione riscaldando il campione sopra Tc, e raffreddamento di nuovo a 4,2 K in presenza di un campo magnetico. Abbiamo scelto il campo magnetico esterno per ottenere la densità desiderata vortex. Mostriamo qui i dati da questi esperimenti. Questi risultati sono stati descritti in dettaglio da Kremen e...

Discussione

manipolazione di successo di vortici dipende da diversi passaggi critici. È importante allineare il sensore ad un angolo, in modo che la punta del chip sarà il primo a fare contatto con il campione. In secondo luogo, è importante notare che la forza esercitata sul campione è determinata dalle proprietà meccaniche del cantilever che il chip è montato. Nel regime elastica, la forza applicata è proporzionale alla deflessione, x, secondo la legge di Hooke:
F = -kx

Se k è la costan...

Materiali

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