Scanning SQUID Studie av Vortex Manipulation av Lokalt 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
Virvlar är magnetiska föremål på nanonivå, som bildats i typ 2-supraledare i närvaro av yttre magnetfält. I en defekt gratisprov, kan virvlar röra sig fritt. Men olika defekter i materialet resulterar i områden med reducerad supra som energiskt gynnsamma för virvlar. Virvlar tenderar att dekorera dessa regioner, även känd som pinning platser. I detta fall måste den kraft som krävs för att flytta en virvel vara större än den pinning kraften. Egenskaper hos virvlar, såsom virvel densitet, interaktion styrka och räckvidd, kan lätt bestämmas av externt fält, temperatur, eller geometri av provet. Förmågan att kontrollera dessa egenskaper gör dem till ett bra modellsystem för kondenserad materia beteende som lätt kan avstämmas, liksom lämpliga kandidater för elektroniska tillämpningar 1, 2. Kontroll av placeringen av enskilda virvlarna är av avgörande betydelse för utformningen av en sådan logiska element.
Mekanisk styrning av magnetiska nanopartiklar har uppnåtts tidigare. Kalisky et al. senast använda scanning supraledande kvantinterferensanordning (SQUID) för att studera inverkan av lokal mekanisk stress på ferromagnetiska fläckar i komplexa oxid gränssnitt 3. De kunde ändra orienteringen av plåstret genom att skanna i kontakt, trycker på spetsen av SQUID in i provet, att anbringa en kraft på upp till 1 μN i processen. Vi har använt en liknande metod i våra protokoll för att flytta virvlar.
I existerande studier av virvel manipulation, var rörelse uppnås genom att applicera strömmen till provet, vilket skapar Lorentz kraft 4, 5, 6. Även om denna metod är effektiv, är det inte lokal, och i syfte att styra en enda virvel, är ytterligare tillverkning krävs. Virvlarna kan också vara manipulated genom att applicera yttre magnetfält, t ex med en magnetisk kraft mikroskop (MFM) eller med en SQUID fältspole 7, 8. Denna metod är effektiv och lokalt, men den kraft som appliceras av dessa verktyg är små, och kan övervinna pinning kraften endast vid höga temperaturer, som ligger nära den kritiska temperaturen för supraledaren. Vår protokoll möjliggör en effektiv, lokal hantering vid låga temperaturer (4 K) utan ytterligare tillverkning av provet.
Vi bild virvlar använder scanning SQUID mikroskopi. Sensorn är tillverkad på ett kiselchip som är polerad in i ett hörn, och limmas på en flexibel fribärande. Den cantilever används för kapacitiv avkänning av ytan. Chipet placeras i vinkel mot provet, så att kontaktpunkten är vid spetsen av chipet. Vi tillämpar krafter på upp till 2 μN genom att trycka på chip in i provet. Vi flyttar provet i förhållande till SQUID av piezo element. Vi flyttarvirveln genom att trycka på kisel spets bredvid en virvel, eller genom att svepa den, röra virveln.
Protocol
Representative Results
Discussion
Framgångsrik hantering av virvlar beror på flera viktiga steg. Det är viktigt att rikta in sensorn i en vinkel, så att spetsen av chipet kommer att vara den första att komma i kontakt med provet. För det andra är det viktigt att notera att den kraft som utövas på provet bestäms genom de mekaniska egenskaperna hos den fribärande att chipet är monterat på. I det elastiska regimen, är den kraft som anbringas proportionell mot avböjningen, x, enligt Hookes lag:
F = -kx
Där…
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi tackar A. Sharoni från Bar-Ilan University för att ge de supraledande filmerna. Denna forskning stöds av Europeiska forskningsrådet Grant ERC-2014-STG- 639.792, Marie Curie karriär Integration Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333.799, och Israel 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).
