Het scannen van SQUID Studie van Vortex manipulatie door Local Contact
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
Wervels magnetische voorwerpen op nanoschaal, gevormd in type 2 supergeleiders in de aanwezigheid van extern magnetisch veld. In een defect gratis monster, kunnen draaikolken vrij bewegen. Echter, verschillende defecten in het materiaal leiden tot gebieden van verminderde supergeleiding die energetisch gunstig voor vortices zijn. Wervels de neiging om deze regio's, ook wel bekend als de pinning-sites te versieren. In dit geval moet de kracht die nodig is om een vortex te bewegen groter dan de pinning kracht. Eigenschappen van wervels, zoals vortex dichtheid interactie sterkte en bereik, kan gemakkelijk worden bepaald door uitwendig veld, temperatuur of geometrie van het monster. De mogelijkheid om deze eigenschappen te besturen hun een goed modelsysteem voor gecondenseerde gedrag dat gemakkelijk kan worden afgestemd, maar ook geschikte kandidaten voor elektronische toepassingen 1, 2. Controle van de locatie van individuele wervels is essentieel voor het ontwerp van dergelijke logische elementen.
Mechanisch magnetische nanodeeltjes was eerder bereikt. Kalisky et al. recent gebruikte scanning supergeleidende quantuminterferentie inrichting (SQUID) de invloed van plaatselijke mechanische belasting van ferromagnetische patches complexe oxide interfaces 3 bestuderen. Zij konden de oriëntatie van de pleister door te scannen in contact, op de punt van de squid in het monster, een kracht van maximaal 1 μN in het proces. We hebben een soortgelijke werkwijze gebruikt ons protocol om wervelingen te bewegen.
In bestaande studies vortexmanipulatie werd motion bereikt door stroom aan het monster, waardoor Lorentzkracht 4, 5, 6. Hoewel deze werkwijze effectief is, is niet lokaal, en om één wervel regel is extra fabricage vereist. Wervels kan ook worden manipulated door toepassing van extern magnetisch veld, bijvoorbeeld met een magnetische kracht microscoop (MFM) of met een SQUID veldspoel 7, 8. Deze werkwijze is effectief en lokale, maar de door deze gereedschappen uitgeoefende kracht klein is, en kan de pinning kracht Pas bij hoge temperaturen dicht bij de kritische temperatuur van de supergeleider overwinnen. Ons protocol maakt een doeltreffend, lokale manipulatie bij lage temperaturen (4 K) zonder bijkomende productie van het monster.
We image wervels met behulp van scanning SQUID microscopie. De sensor wordt gefabriceerd op een siliciumchip die wordt gepolijst in een hoek, en gelijmd op een flexibele cantilever. De cantilever wordt gebruikt voor capacitieve detectie van het oppervlak. De chip is geplaatst onder een hoek met het monster, zodat het contactpunt is aan het uiteinde van de chip. We passen krachten tot 2 μN door op de chip in de monsterhouder. We gaan het monster ten opzichte van de squid door piëzo-elementen. Wij verhuizende draaikolk door te tikken op het silicium tip naast een vortex, of door het vegen van het, het aanraken van de vortex.
Protocol
Representative Results
Discussion
Succesvolle manipulatie van wervels, hangt af van een aantal kritische stappen. Het is belangrijk dat de sensor uitgelijnd onder een hoek, zodanig dat de punt van de chip als eerste contact met het monster te zijn. Ten tweede is het belangrijk op te merken dat de kracht op het monster wordt bepaald door de mechanische eigenschappen van de cantilever de chip is gemonteerd. In het elastische regime, de uitgeoefende kracht is evenredig met de uitwijking x, volgens de wet van Hooke:
F = -kx
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Wij danken A. Sharoni van Bar-Ilan University voor het verstrekken van de supergeleidende films. Dit onderzoek werd gesteund door de European Research Council Grant ERC-2014-STG- 639.792, Marie Curie Career Integration Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799, en Israël Science Foundation Grant ISF-1102-1113.
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 |
Referências
- 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).
