Сканирование СКВИД Исследование вихревых Манипуляции с местным представителем компании

Резюме

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.

Аннотация

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.

Введение

Вихри магнитные объекты на наноуровне, образовавшиеся в 2 типа сверхпроводников в присутствии внешнего магнитного поля. В бездефектно образце, вихри могут свободно перемещаться. Тем не менее, различные дефекты в материальном результате в области пониженной сверхпроводимости, которые являются энергетически выгодным для вихрей. Вихри, как правило, украшают эти регионы, также известный как пиннинговых сайтов. В этом случае сила, необходимая для перемещения вихря должна быть больше силы пиннинга. Свойства вихрей, таких как плотность вихрей, сила взаимодействия и диапазон, можно легко определить с помощью внешнего поля, температуры или геометрии образца. Способность управлять этими свойствами делает их хорошей моделью системы конденсированного поведения вещества , которые могут быть легко настроены, а также подходящих кандидатов для электронных приложений ^{1, 2.} Контроль расположения отдельных вихрей имеет важное значение для разработки такого Иоческие элементы.

Механическое управление магнитных наночастиц было достигнуто ранее. Kalisky и др. в последнее время используется для сканирования сверхпроводящего квантового интерференционного устройства (SQUID) с целью изучения влияния локального механического напряжения на ферромагнитных пластырей в сложных оксидных интерфейсов ^3. Они были в состоянии изменить ориентацию пластыря при сканировании в контакте, нажав кончик SQUID в образец, прилагаемое усилие до 1 мкН в процессе. Мы использовали подобный метод в нашем протоколе для перемещения вихрей.

В существующих исследованиях манипулирования вихревого, движения было достигнуто за счет подачи тока к образцу, таким образом , создавая силу Лоренца , ^{4, 5, 6.} В то время как этот метод эффективен, он не является локальным, а для того, чтобы управлять одним завихрения, требуется дополнительное изготовление. Вихри также может быть Manipнерегулируемом путем применения внешнего магнитного поля, например , с помощью магнитного силового микроскопа (MFM) или с помощью СКВИД поля катушки ^{7, 8.} Этот метод эффективен и местные, но сила, приложенная этими инструментами мал, и может преодолеть силу пиннинга только при высоких температурах, близких к критической температуре сверхпроводника. Наш протокол позволяет эффективно, местные манипуляции при низких температурах (4 К) без дополнительного изготовления образца.

Мы изображений вихрями с использованием сканирующей SQUID микроскопии. Датчик изготовлен на кремниевом чипе, который полируется в угол, и приклеены на гибкой кантилевера. Консольная используется для емкостного зондирования поверхности. Микросхема расположена под углом по отношению к образцу, таким образом, что точка контакта находится на конце чипа. Мы применяем силы до 2 мкН, нажав на чип в образец. Двигаемся образца относительно СКВИД с помощью пьезоэлектрических элементов. Мы движемсявихрь, нажав на кремниевый наконечник рядом с вихрем, или путем подметать его, касаясь вихря.

протокол

1. Доступ к системе сканирования SQUID

1. Используйте систему SQUID сканирования , который включает в себя датчик на SQUID , изготовленную на кристалле ^{9, 10,} палка скольжения стадии грубого движения и пьезоэлектрическим на основе сканера для тонкой движения. Смотри рисунок 1.
2. Польский чип SQUID в угол вокруг петли съема. Материал чипа должен быть удален весь путь к петле пикап.
   1. Аккуратно отполировать SQUID, используя от 5 до 0,5 мкм немагнитный полируя бумагу.
      Примечание: После того, как на стадии доводки петля пикап может быть приведен в непосредственной близости или контакта с образцом.

2. Отложение ниобия (Nb) тонкопленочных постоянным током (DC) распылении

1. Получить субстрат. В этой работе, используют легированного бором кремниевой подложки с 500 нм оксида кремния. Другие субстраты, такие как SrTiO и MgO возможны.
2. Reach базовую pressuповторное 10 ^-7 Торр в камере. Предварительно разбрызгивание в испарительную камеру при комнатной температуре с целью 99,95% Nb, в аргоновой среде при давлении 2,4 мТорр со скоростью осаждения 1,8 Å / с в течение 10 мин. Следует отметить , что процесс осаждения может начаться только тогда , когда базовое давление в камере составляет менее 10 ^-7 торр. Если давление выше, повторите этап предварительного напыления.
3. Поместите подложку в камере.
4. Депозит Nb тонкопленочный путем распыления при комнатной температуре от мишени 99,95% Nb, в аргоновой среде при давлении 2,4 мТорр со скоростью осаждения 1,8 Å / с.

3. Образец кончика Выравнивание

1. На этом этапе выравнивания сенсорного чипа с образцом так, чтобы кончик чипа контактирует с образцом при перемещении вихрей. Для достижения этой цели использовать угол выравнивания по меньшей мере 4 °.
2. Клей гибкий кантилевер на проводящей пластине с диэлектрическим слоем. Затем клей SQUID чир на кантилевер. Емкость между кантилевера и статической пластины определяет контакт с образцом, и степень напряжения, приложенного.
3. Образец нагрузки на микроскоп. Клей образца к обозначенному образца крепление с помощью лака или серебряной пасты. Клей крепление к Z пьезоэлемента (рис 1а).
4. Подключите палку скольжения систему грубой движения к контроллеру.
5. Настройка оптических изображений с двух точек зрения - спереди и сбоку от чипа. С помощью двух телескопов, размещенных на этапах перевода, направленные на лицевой стороне чипа и одной из его сторон.
6. Использование Z палки скольжения стадии грубого движения, перемещения образца на расстоянии 1 мкм от датчика, так что отражение сенсора видна на образце.
   Примечание: Контакт между образцом и датчиком на данном этапе может нанести вред кальмара.
7. Перемещение образца 0,5 - 1 мм от датчика с использованием стадии Z палочка скольжения грубое движение, чтобы предотвратить повреждение SQUID.
8. Поверните винты выравнивания (рисунок 1а) , чтобы получить равные углы передних (т.е. углы стороны наконечника чипа сделать с его отражением, как показано на рисунке 1c).
9. Перемещение образца на расстоянии 1 мкм от датчика. Проверьте углы и повторите шаг 3.7 и 3.8, если это необходимо.
10. Поворот центрирующих винта , чтобы получить угол 4 градуса между датчиком и образца (рис 1d). Убедитесь, что кончик чипа является частью, которая входит в контакт с образцом.

4. Измерения

1. Загрузите сканирующую головку (рис 1а) к системе 4 K охлаждения.
   Примечание: сканирующая головка должна быть подключена к холодной плите, и окружен вакуумной емкости. Разводка катушки вокруг баллона для нанесения внешнего магнитного поля (низкие поля нескольких Гаусс достаточны для этого исследования). Накройте эту установку с мю-металлическим щитом.
2. Охладить в присутствии МаньTIC поле, путем подачи тока через катушку, охватывающую микроскоп. Выберите напряженность поля тщательно, чтобы достичь желаемой плотности вихрей. Используйте 1Ф ₀ = 20,7 г / мкм ² для расчета перезарядка поле. Например, для 10 вихрей в 10 мкм на 10 мкм в области, применяют 2,07 G.
3. Для перехода к новой пробе тепла плотность вихрей выше температуры сверхпроводящего перехода (Для Nb, нагревать до температуры выше 10 К). Применить новое поле.
4. Прохладный образца до 4,2 К.
5. Включите магнитное поле выключено. Включите SQUID на.
6. Перемещение образца близко к SQUID с помощью ручки скольжения система грубой движения.
   1. Применить возрастающие напряжения на кубе Z-палки скольжения для перемещения образца ближе к микросхеме SQUID.
   2. Нанести напряжение между кантилевера и пластиной для считывания емкости с использованием емкостного моста (0,1-1 V обычно).
   3. Развертки напряжение на элементе Z пьезо. Измерьте емкость между кантилевера и Плате. Если происходит большое изменение емкости, образец находится в контакте с чипом SQUID.
   4. Если образец не вступать в контакт с чипом, повторите шаги 4.6.1-4.6.3, пока не наблюдается контакт.
   5. Необязательно: Используйте движение курса для регулировки расстояния между зондом и образцом, так что контакт происходит при низких напряжениях (0 - 10 В применяется на Z пьезо).
   6. После того, есть контакт, повторите шаги 4.6.2-4.6.3 в нескольких местах, чтобы определить углы наклона поверхности и определить плоскость образца, по отношению к датчику.
7. Развертки напряжение на X и Y пьезоэлементов для перемещения образца относительно датчика. Сканирование при постоянной высоте над образцом, без контакта между зондом и образцом, с целью картирования распределения вихрей. Достичь постоянную высоту сканирования путем изменения напряжения на Z пьезо согласно расположению Х и У, а к плоскости, определенной в 4.6.
8. Выберите вихрь и сканирование Arouе он точно определить расположение его центра. Обратите внимание, что расположение вихря относительно цикла срабатывания кальмара, а не в точке контакта.
9. Включите SQUID выключен.
10. Нанести напряжение, которое больше, чем напряжение приземлением к г пьезоэлементом и либо нажмите рядом с центром вихря или подметать вихрь путем перетаскивания датчика (в контакте с образцом) медленно на образце в нужное место. Вихрь будет двигаться в направлении крана или в стремительной направлении. Типичные значения для добавления приложенного напряжения г пьезо являются 2-5 В.
11. Включите SQUID на.
12. Изображение снова на постоянной высоте без контакта, чтобы найти новое местоположение вихря.

Результаты

Наш протокол был успешно протестирован на тысячи отдельных, хорошо разделенных вихрей в двух образцах Nb, и девять образцов NbN. Мы генерируем новые завихрения на том же образце путем нагрева образца выше Тс, и охлаждение его обратно до 4,2 К в присутствии магнитного поля. ...

Обсуждение

Успешное манипулирование вихрей зависит от нескольких важных шагов. Важно, чтобы выровнять датчик под углом, таким образом, что кончик чипа будет первым вступать в контакт с образцом. Во-вторых, важно отметить, что сила, действующая на образце определяется механическими свойствами кан?...

Материалы

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