Yerel İletişim tarafından Vortex Manipülasyon KALAMAR Çalışması taranması

Özet

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.

Özet

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.

Giriş

Girdaplar dış manyetik alanın varlığında tip 2 Süperiletkenlerde oluşan nano manyetik nesneler vardır. Bir kusur ücretsiz örneğinde, girdaplar serbestçe hareket edebilir. Ancak, girdapların için enerjik elverişli azaltılmış süperiletkenlik bölgelerinde maddi sonuç farklı kusurlar. Girdaplar bu bölgeleri, aynı zamanda çivileme siteleri olarak bilinen dekore eğilimindedir. Bu durumda, bir girdap hareket ettirmek için gerekli olan kuvvet sabitleme kuvvetinden daha büyük olması gerekmektedir. Bu girdap yoğunluğu, etkileşim gücü ve aralık gibi girdapların, özellikleri, kolayca dış alanı, sıcaklık, ya da numune geometrisi ile belirlenebilir. Bu özellikleri kontrol etme yeteneği, onları, elektronik uygulamaları ^{1, 2,} kolayca ayarlanabilir yoğun madde davranışı, hem de müsait adaylar için iyi bir model sistemi sağlar. Bireysel vortices yerini kontrolü, lo tasarımı için gerekli olanrahi elemanları.

Manyetik nanopartiküller mekanik kontrolü daha önce elde edilmişti. Kalisky ve diğ. Son zamanlarda kompleks oksit arayüzleri ³ ferromanyetik yamalar yerel mekanik stres etkisini incelemek için tarama süperiletken kuantum girişim cihazı (SQUID) kullanılır. Onlar süreçte kadar 1 μN bir güç uygulayarak, numunenin içine SQUID ucu basarak temas tarayarak yama yönünü değiştirmek için başardık. Biz girdapları taşımak için bizim protokolde benzer bir yöntem kullandık.

Girdap manipülasyon Mevcut çalışmalarda, hareket ve böylece Lorentz kuvveti ^{4, 5, 6} oluşturma, numune akımı uygulanarak elde edildi. bu yöntem etkili olsa da, yerel değildir ve tek bir girdap kontrol etmek amacıyla, ek bir üretim gereklidir. Girdaplar da Manip olabilirmanyetik kuvvet mikroskopu (MFM) veya kalamar alan sargısı ^{7, 8,} örneğin, harici bir manyetik alan uygulayarak ile düzenlenmiştir. Bu yöntem etkili ve yerel, ama bu araçlar tarafından uygulanan kuvvet küçük ve sadece süperiletken kritik sıcaklığına yakın yüksek sıcaklıklarda çivileme kuvvetini üstesinden gelebilir. Bizim protokol örneğinin ek imalat olmaksızın düşük sıcaklıklarda (4 K) etkili, yerel müdahale etmenizi sağlar.

Biz tarama KALAMAR mikroskopi kullanılarak görüntü girdapları. Sensör bir köşeye cilalı ve esnek bir konsol üzerinde yapıştırılmış bir silikon çip üzerinde imal edilir. Konsol yüzeyinin kapasitif algılama için kullanılır. temas noktası çip ucunda, böylece çip, örnek bir açı ile yerleştirilir. Bu numune içine çip iterek kadar 2 μN kuvvetleri uygulanır. Biz piezo elemanları tarafından SQUID örnek göreli hareket ettirin. Biz hareketBir girdaba yanında, ya da onu süpürme girdap dokunarak silikon ucu dokunarak girdap.

Protokol

Bir Tarama KALAMAR Sistemine 1. Erişim

1. Bir çip ^{9, 10,} sopa kayma kaba hareket aşamasında ve ince hareket için bir piezo-tabanlı tarayıcı üzerinde fabrikasyon bir KALAMAR sensörü içeren bir tarama KALAMAR sistemi kullanın. Bkz: Şekil 1.
2. pikap döngü etrafında bir köşeye KALAMAR çipi parlatın. çip malzemesi tüm yol alma döngü kaldırılması gerekiyor.
   1. Yavaşça 5 mikron 0.5 manyetik olmayan parlatma kağıt kullanarak, SQUID lehçe.
      NOT: parlatma aşamadan sonra pikap döngü örneği ile, yakın, ya da temas getirilebilir.

Doğru Akım (DC) püskürtme ile Niyobyum (Nb) İnce Film 2. Biriktirme

1. Bir alt-tabakanın elde edilir. Bu çalışma, silikon oksit, 500 nm olan bir bor içerikli silikon bir alt-tabakanın kullanımı. Böyle SrTiO ve MgO gibi diğer alt tabakalar mümkündür.
2. Bir baz pressu ulaşmakodasında 10 ^-7 Torr yeniden. Ön sputter 10 dakika için 1.8 a / s bir depozisyon oranı 2.4 mTorr basıncında bir argon ortamında% 99,95 Nb hedefi, oda sıcaklığında buharlaştırma odasını. Odasındaki taban basıncı az 10 ^-7 Torr olduğunda bırakma işlemi sadece başlayabilirsiniz unutmayın. Basınç öncesi püskürtme aşaması yüksek yineleyin ise.
3. odasında yerleştirilmesidir.
4. 1.8 a / s 'lik bir yerleştirme oranı 2.4 mTorr basıncında argon ortamında,% 99.95 Nb hedeften oda sıcaklığında püskürtülerek Deposit Nb ince film.

3. Numune ucu Hizalama

1. girdapları taşırken çip ucu örneği ile temas edinceye kadar bu aşamada, numune ile sensör çipi aynı hizaya getirin. Bunu elde etmek için, en az 4 ° 'lik bir hizalama açı kullanılır.
2. bir dielektrik tabaka, bir iletken plaka üzerinde, esnek bir konsol Tutkal. Ardından, KALAMAR chi tutkalkonsol üzerinde s. konsol ve statik plakası arasındaki kapasitans numune ve uygulanan stres ölçüde temas belirler.
3. mikroskop yük örneği. belirlenmiş bir örnek örnek Tutkal bir cila veya gümüş macun kullanarak monte edin. Z piezo elemanı (Şekil 1a) için montaj Tutkal.
4. Bir kontrolöre sopa kayma kaba hareket sistemini bağlayın.
5. ön ve çip yan - iki açıdan optik görüntüleme ayarlayın. çip ön ve yanlarından birine yönlendirilir için aşamaları üzerine yerleştirilmiş iki teleskop kullanın.
6. sensörün yansıma numunesi üzerinde görünür böylece Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanarak, sensörden 1 um mesafeye örnek taşıyın.
   NOT: SQUID zarar verebilir bu aşamada numune ve sensör arasında bağlantı kurun.
7. S zarar görmesini önlemek için Z sopa kayma kaba hareket sahne kullanılarak 1 mm uzakta sensörden - 0.5 örnek TaşıSTERLİN.
8. Eşit ön açıları elde etmek için hizalama vidaları (Şekil 1a) döndürün (yani, Şekil 1c görüldüğü gibi çipin ucu yanları, onun yansıması ile yapmak açıları).
9. algılayıcıdan 1 um'lik bir mesafe için örnek getirin. açıları kontrol edin ve gerekirse adım 3.7 ve 3.8 tekrarlayın.
10. Sensör ve örnek (Şekil 1d) arasında 4 derecelik bir açı elde etmek için hizalama vidaları döndürün. çip ucu numunesi ile temas eder bir parçası olduğundan emin olun.

4. Ölçümler

1. 4 K soğutma sistemi tarama kafası (Şekil 1a) yükleyin.
   NOT: Tarama kafası soğuk plaka bağlı ve bir vakum can çevrili olmalıdır. Dış manyetik alan (birkaç Gauss düşük alanlar bu çalışma için yeterli) uygulanması için teneke etrafında bir bobin tel. Mu-metal kalkan ile bu kurulumu örtün.
2. Magne mevcudiyetinde serintik alan, mikroskop çevreleyen bobin üzerinden akım uygulanarak. İstenilen girdap yoğunluğu elde etmek için dikkatli alan kuvvetini seçin. Bekleme süresi alanını hesaplamak için 1Φ ₀ = 20.7 G / um ² kullanın. Örneğin, bir 10 um 10 tarafından um alanında 10 girdapların için, 2.07 G. geçerlidir
3. (10 K üzerinde, Nb için ısı) süperiletkenlik geçiş sıcaklığının üzerinde yeni bir girdap yoğunluk ısı örnek değiştirmek için. Yeni bir alan uygulayın.
4. 4.2 K. Serin örnek
5. manyetik alan kapatın. SQUID açın.
6. sopa kayma kaba hareket sistemini kullanarak SQUID yakın örnek taşıyın.
   1. KALAMAR çip yakın örnek taşımak için Z-sopa kayma küp artan gerilimler uygulayın.
   2. Bir kapasitans köprüsü (tipik 0.1-1 V) ile kapasitans okumak için konsol ve plaka arasındaki gerilim uygulanmalıdır.
   3. Z piezo elemanı gerilimi Sweep. konsol ve plat arasındaki kapasitans ölçüne. kapasitans büyük bir değişiklik olursa, örnek SQUID çip ile temas halindedir.
   4. Örnek çipi ile temas yapmadıysanız, adımları yineleyin 4.6.1-4.6.3 temas görülünceye kadar.
   5. İsteğe bağlı: o kişi düşük voltajlı (0 - Z piezo uygulanan 10 V) oluşur, böylece ucu ve numune arasındaki mesafeyi ayarlamak için kurs hareketi kullanın.
   6. temas olduğunda, tekrar yüzeyinin eğim açılarının belirlenmesi ve sensöre göre numune düzlemini tanımlamak için çeşitli konumlarda 4.6.2-4.6.3 adımları.
7. sensöre numunenin taşımak için X ve Y, piezo elemanları üzerindeki voltajı hareket ettirin. Girdap dağılımının haritasının çıkartılması için, uç ve örnek arasındaki temas olmaksızın, örneğin üzerine sabit bir yükseklikte tarar. X ve Y yerlere göre Z piezo gerilimi değiştirerek sabit tarama yüksekliğe ulaşmak ve 4.6 tanımlanan düzleme.
8. bir girdap seçin ve arou taramand tam da merkezinde konumunu belirlemek için. girdap konum değil temas noktasına, kalamar en pikap döngü göreceli olduğunu unutmayın.
9. SQUID kapatın.
10. Bir sonraki girdap merkezine z piezo ve ya musluğa touchdown geriliminden daha yüksek bir gerilim uygulayın ya da istenilen bir yere numune üzerinde yavaş yavaş (numune ile temas halinde) sensörüne sürükleyerek girdap süpürün. girdap dokunun doğru veya süpürme yönde hareket edecektir. Tipik değerler 2-5 V uygulanacak z piezo gerilimine eklemek için
11. SQUID açın.
12. temas etmeden sabit bir yükseklikte tekrar görüntü girdap yeni konumunu bulmak için.

Sonuçlar

Bizim protokolü başarılı bir şekilde Nb, iki numune ve NBN dokuz numunelerdeki tek tek, iyi ayrılmış girdapların bin üzerinde test edilmiştir. Tc Yukarıdaki örnek ısıtılması, ve manyetik alanın varlığında Lütfen 4.2 K soğutmak suretiyle aynı numune üzerinde yeni girdapları oluştururlar. Biz arzu girdap yoğunluğu elde etmek için dış manyetik alan seçti. Biz burada bu deneylerden gelen verileri göstermektedir. Bu sonuçlar, Kremen ve arkadaşları...

Tartışmalar

vortices Başarılı manipülasyon birçok kritik adımlar bağlıdır. Çip ucu numunesi ile temas kurmaya ilk olacak şekilde, bir açıyla sensörü hizalamak için önemlidir. İkinci olarak, örnek üzerine uygulanan kuvvet çip monte edilir konsol mekanik özellikleri ile belirlenir dikkat etmek önemlidir. Elastik rejimde, uygulanan kuvvet Hooke yasasına göre, saptırma, x orantılıdır:
F = -kx

Burada K malzemenin Young modülü ve fiziksel boyutları tarafından belirlenen...

Malzemeler

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