Numérisation Etude SQUID de Vortex Manipulation par contact local
Summary
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.
Introduction
Tourbillons sont des objets magnétiques à l'échelle nanométrique, formés dans le type 2 supraconducteurs en présence d'un champ magnétique externe. Dans un échantillon de défaut libre, tourbillons peuvent se déplacer librement. Toutefois, les différents défauts dans le résultat matériel dans les régions de la supraconductivité réduite qui sont énergétiquement favorables à tourbillons. Tourbillons ont tendance à décorer ces régions, aussi connu que les sites épinglage. Dans ce cas, la force nécessaire pour déplacer un tourbillon doit être supérieure à la force de pinning. Propriétés de tourbillons, comme la densité de vortex, la force d'interaction et de la gamme, peuvent être facilement déterminées par le champ externe, la température, ou de la géométrie de l'échantillon. La capacité de contrôler ces propriétés eux un bon modèle pour le comportement condensé de la matière qui peut être facilement réglé, ainsi que des candidats appropriés pour des applications électroniques 1, 2 fait. Contrôle de l'emplacement des tourbillons individuels est essentielle pour la conception d'un tel loéléments. giques
Le contrôle mécanique des nanoparticules magnétiques avait été atteint auparavant. Kalisky et al. récemment utilisé le balayage dispositif supraconducteur à interférence quantique (SQUID) pour étudier l'influence d' une contrainte mécanique locale sur les patchs ferromagnétiques dans les interfaces d'oxyde complexe 3. Ils ont été en mesure de changer l'orientation de la pièce par balayage en contact, en appuyant sur la pointe du SQUID dans l'échantillon, l'application d'une force allant jusqu'à 1 μN dans le processus. Nous avons utilisé une méthode similaire dans notre protocole afin de déplacer des tourbillons.
Dans les études actuelles de manipulation de vortex, le mouvement a été réalisée en appliquant un courant à l'échantillon, en créant ainsi la force de Lorentz 4, 5, 6. Bien que cette méthode soit efficace, il est pas local, et pour contrôler un tourbillon unique, de fabrication supplémentaire est nécessaire. Tourbillons peuvent également être Manipmenté par application d'un champ magnétique externe, par exemple avec un microscope à force magnétique (MFM) , soit avec une bobine de champ SQUID 7, 8. Ce procédé est efficace et locale, mais la force appliquée par ces outils est faible, et peut surmonter la force plaquant seulement à des températures élevées, à proximité de la température critique du supraconducteur. Notre protocole permet, la manipulation locale efficace à basse température (4 K) sans fabrication supplémentaire de l'échantillon.
Nous tourbillons d'image en utilisant la microscopie à SQUID. Le capteur est fabriqué sur une puce de silicium qui est poli dans un coin, et collé sur un bras de levier flexible. Cantilever est utilisé pour la détection capacitive de la surface. La puce est placée à un angle à l'échantillon, de sorte que le point de contact est à la pointe de la puce. Nous appliquons des forces allant jusqu'à 2 μN en poussant la puce dans l'échantillon. Nous passons l'échantillon par rapport au SQUID par des éléments piézoélectriques. Nous déménageonsle tourbillon en appuyant la pointe de silicium à côté d'un vortex, ou en balayant, de toucher le vortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
manipulation réussie des tourbillons dépend de plusieurs étapes critiques. Il est important d'aligner le capteur à un angle, de telle sorte que la pointe de la puce sera la première à entrer en contact avec l'échantillon. Deuxièmement, il est important de noter que la force exercée sur l'échantillon est déterminée par les propriétés mécaniques de la poutre que la puce est montée sur. Dans le régime élastique, la force appliquée est proportionnelle à la déviation, x, conformément à la l…
Divulgations
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Nous remercions A. Sharoni de l'Université Bar-Ilan pour fournir les films supraconducteurs. Cette recherche a été soutenue par le Conseil européen de la recherche Grant ERC-2014-STG- 639792, intégration Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-333799-CIG, et la Fondation Israël Sciences Grant ISF-1102/13.
Materials
| 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 |
References
- Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. Do Vortices Entangle?. Phys. Rev. Lett. 92, 157002 (2004).
- Milošević, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. Fluxonic cellular automata. Appl. Phys. Lett. 91, 212501 (2007).
- Kalisky, B., et al. Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface. Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).
- Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. Controlled multiple reversals of a ratchet effect. Nature. 440, 651-654 (2006).
- Kalisky, B., et al. Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale. Appl. Phys. Lett. 94, 202504 (2009).
- Embon, L., et al. Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales. Sci. Rep. 5, 7598 (2015).
- Auslaender, O. M., et al. Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor. Nature Phys. 5, 35-39 (2008).
- Kalisky, B., et al. Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2. Phys. Rev. B. 83, 064511 (2011).
- Huber, M. E., et al. Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples. Rev. Sci. Instrum. 79, 053704 (2008).
- Koshnick, N. C., et al. A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops. Appl. Phys. Lett. 93, 243101 (2008).
- Kremen, A., et al. Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices. Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).
