Scannen SQUID-Studie von Vortex Manipulation durch Kontakt vor Ort

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

Wirbel sind magnetische Objekte auf der Nanoskala, bei Typ-2-Supraleiter in Gegenwart von äußeren Magnetfeld gebildet. In einem fehlerfreien Probe kann Wirbel frei bewegen. Jedoch verschiedene Mängel im Material Ergebnis in Bereichen verringerter Supraleitung, die für Wirbel energetisch günstig sind. Wirbel neigen dazu, diese Regionen, auch bekannt als die Pinning-Stellen zu dekorieren. In diesem Fall ist die Kraft um einen Wirbel zu bewegen, muss größer sein als die Pinning-Kraft. Eigenschaften von Wirbeln, wie beispielsweise Wirbeldichte Wechselwirkungsstärke und Reichweite, kann leicht durch externes Feld, Temperatur oder Geometrie der Probe bestimmt werden. Die Fähigkeit , diese Eigenschaften zu kontrollieren macht sie ein gutes Modellsystem für kondensierter Materie Verhalten , das leicht abgestimmt werden kann, sowie geeignete Kandidaten für elektronische Anwendungen ^{1, 2.} Steuerung der Lage der einzelnen Wirbel ist wesentlich für die Gestaltung solcher logische Elemente.

Mechanische Kontrolle magnetischer Nanopartikel hatte zuvor erreicht. Kalisky et al. zuletzt verwendeten Scan supraleitenden Quanteninterferenzvorrichtung (SQUID) zur Untersuchung der Einfluss der lokalen mechanischen Beanspruchung auf ferromagnetischen Patches in komplexen Oxidgrenzflächen ^3. Sie waren in der Lage, die Orientierung des Pflasters durch Scannen in Kontakt zu verändern, wird durch Drücken der Spitze des SQUID in die Probe, um eine Kraft von bis zu 1 & mgr; N in dem Verfahren Anwendung. Wir haben ein ähnliches Verfahren in unserem Protokoll zu bewegen, um Wirbel eingesetzt.

In bestehenden Studien der Wirbel Manipulation wurde Bewegung durch Anlegen von Strom an die Probe erreicht, so dass die Schaffung Lorentzkraft ^{4, 5, 6.} Während dieses Verfahren wirksam ist, ist es nicht lokal, und erforderlich, um einen einzigen Wirbel, zusätzlichen Herstellungs zu steuern ist. Vortices kann auch sein maniplierten durch externes Magnetfeld angelegt wird , beispielsweise mit einem Magnetkraftmikroskop (MFM) oder mit einem SQUID Feldspule ^{7, 8.} Dieses Verfahren ist wirksam und lokal, aber die Kraft, die durch diese Werkzeuge angewendet ist klein, und die Pinning-Kraft nur bei hohen Temperaturen, in der Nähe der kritischen Temperatur des Supraleiters überwinden. Unser Protokoll ermöglicht eine effektive, lokale Manipulation bei niedrigen Temperaturen (4 K) ohne zusätzliche Herstellung der Probe.

Wir Bild Wirbel Scanning SQUID-Mikroskopie. Der Sensor wird auf einem Siliziumchip hergestellt, der in eine Ecke poliert wird, und auf einem flexiblen Kragarm verklebt. Der Ausleger ist für kapazitive Abtastung der Oberfläche verwendet. Der Chip ist in einem Winkel zu der Probe angeordnet ist, so daß der Kontaktpunkt an der Spitze des Chips ist. Wir wenden Kräfte von bis zu 2 & mgr; N durch den Chip in die Probe drückt. Wir bewegen die Probe relativ zu dem SQUID von Piezo-Elementen. Wir ziehen umneben einem Wirbel der Wirbel, der durch den Siliziumspitze zu tippen, oder es durch Kehren, berühren den Wirbel.

Protocol

1. Der Zugang zu einem Scanning SQUID-System Verwenden Sie ein Scan – SQUID – System , das einen SQUID – Sensor auf einem Chip 9, 10, Stick – Slip – Grobbewegungstisch und einem piezobasierten Scanner für feine Bewegung hergestellt umfasst. Siehe Abbildung 1. Polieren Sie die SQUID-Chip in eine Ecke rund um den Pickup-Schleife. Das Material des Chips muss den ganzen Weg zu der Aufnahmeschleife entfernt werden. poli…

Representative Results

Unser Protokoll wurde auf Tausenden von einzelnen, gut getrennt Wirbel in zwei Proben von Nb, und neun Proben von NbN erfolgreich getestet. Wir erzeugen neue Wirbel an der gleichen Probe, indem die Probe oberhalb von Tc erhitzt wird, und Abkühlen wieder auf 4,2 K in Gegenwart eines Magnetfelds. Wir wählten das externe Magnetfeld um die gewünschte Wirbeldichte zu erreichen. Wir zeigen hier, Daten aus diesen Experimenten. Diese Ergebnisse wurden im Detail von Kremen et al. <sup…

Discussion

Erfolgreiche Manipulation von Wirbeln, hängt von mehreren kritischen Schritte. Es ist wichtig, den Sensor in einem Winkel auszurichten, so dass die Spitze des Chips wird die erste, um einen Kontakt mit der Probe sein. Zweitens ist es wichtig zu beachten, dass die Kraft auf die Probe ausgeübt wird, durch die mechanischen Eigenschaften des Cantilevers bestimmt wird, dass der Chip auf montiert ist. In dem elastischen Regelung ausgeübte Kraft ist proportional zur Auslenkung x nach Hookeschen Gesetz:
F = kx

<p …

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