Skanning SQUID Study of Vortex Manipulasjon av Local Kontakt

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

Virvlene er magnetiske gjenstander på nanoskala, dannet i type 2-superledere, i nærvær av ytre magnetfelt. I en defekt gratis prøve, kan virvlene bevege seg fritt. Men forskjellige defekter i materialet resultat i regioner med redusert superledning som er energisk gunstig for virvler. Virvlene har en tendens til å dekorere disse regionene, også kjent som låsing nettsteder. I dette tilfellet må den kraft som kreves for å flytte en hvirvel være større enn den kraft låsing. Egenskaper av virvler, som for eksempel virvel tetthet, interaksjon styrke og rekkevidde, kan lett bestemmes av ytre felt, temperatur, eller geometrien av prøven. Evnen til å kontrollere disse egenskapene gjør dem et godt modellsystem for kondensert materie atferd som lett kan innstilt, samt egnede kandidater for elektroniske søknader ^{1, 2.} Kontroll av plasseringen av de enkelte virvler er viktig for utforming av et slikt lobiologiske elementer.

Mekanisk kontroll av magnetiske nanopartikler hadde blitt oppnådd før. Kalisky et al. nylig brukt skanning superledende quantum forstyrrelser enhet (SQUID) for å studere påvirkningen av lokal mekanisk stress på ferromagnetiske patcher i komplekse oksid grensesnitt ^3. De var i stand til å endre orienteringen av plasteret ved skanning i kontakt, å trykke spissen av SQUID inn i prøven, å påføre en kraft på opp til 1 μN i prosessen. Vi har benyttet en lignende metode i vår protokoll for å kunne bevege seg virvler.

I eksisterende studier av vortex manipulering, ble bevegelse oppnås ved å påføre strøm til prøven, og dermed skape Lorentz-kraft ^{4, 5, 6.} Selv om denne metoden er effektiv, er det ikke lokalt, og for å styre en enkelt vortex blir ytterligere fabrikasjon nødvendig. Virvlene kan også være manipulated ved påføring av ytre magnetfelt, for eksempel med en magnetisk kraft mikroskop (MFM) eller med en SQUID-feltspolen ^{7, 8.} Denne metoden er effektiv og lokal, men den kraft som utøves av disse verktøyene er liten, og kan overvinne den kraft låsing bare ved høye temperaturer, i nærheten av den kritiske temperatur for det superleder. Vår protokollen tillater effektiv, lokal håndtering ved lave temperaturer (4 K) uten ytterligere fremstillingen av prøven.

Vi image virvler bruker scanning SQUID mikroskopi. Sensoren er fremstilt på en silisiumbrikke som er polert inn i et hjørne, og limt på en fleksibel cantilever. Cantilever brukes for kapasitiv avføling av overflaten. Brikken er plassert i en vinkel til prøven, slik at kontaktpunktet er ved spissen av brikken. Vi anvender krefter på opp til 2 μN ved å skyve brikken inn i prøven. Vi bevege prøve i forhold til SQUID ved piezo-elementer. Vi flyttervirvelen ved å trykke på silisium tips ved siden av en vortex, eller ved å feie det, berøre vortex.

Protocol

1. Tilgang til en Scanning SQUID System Bruke et scanning SQUID-system som omfatter en SQUID-sensor fremstilt på en brikke 9, 10, stick slip grov bevegelsestrinn, og et piezo-baserte skanner for fin bevegelse. Se figur 1. Polere SQUID chip inn i et hjørne rundt pickup loop. Materialet av brikken må fjernes helt til den pickup sløyfen. Forsiktig polere SQUID, ved hjelp av en 5 til 0,5 pm ikke-magnetisk polerpapir…

Representative Results

Vår protokollen ble testet på tusenvis av individuelle, godt adskilt virvlene i to prøver av Nb, og ni prøver av NBN. Vi generere nye virvler på den samme prøven ved oppvarming av prøven ovenfor Tc, og avkjøling tilbake til 4,2 K i nærvær av et magnetisk felt. Vi valgte ytre magnetfelt for å oppnå den ønskede virvel tetthet. Vi viser her data fra disse eksperimentene. Disse resultatene er blitt beskrevet i detalj av Kremen et al. 11. <p c…

Discussion

Vellykket manipulering av virvlene avhenger av flere kritiske trinn. Det er viktig å innrette føleren i en vinkel, slik at spissen av brikken vil være den første til å gjøre kontakt med prøven. For det andre er det viktig å merke seg at den kraft som utøves på prøven blir bestemt ved de mekaniske egenskaper av cantilever at brikken er montert på. I det elastiske regimet, er den kraft som utøves proporsjonal med nedbøyning, x, ifølge Hookes lov:
F = -kx

Hvor k er fjærko…

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