סריקת לימוד SQUID של מניפולציה וורטקס ידי לתקשר מקומי
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
מערבולות הם חפצים מגנטיים ב הננומטרי, נוצרו מוליכי סוג 2 בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. במדגם פגם חינם, מערבולות יכולות לנוע בחופשיות. עם זאת, פגמים שונים תוצאת החומר באזורים של מוליכות שהופחתו הם נוחים נמרצות מערבולות. מערבולות נוטים לקשט אזורים אלה, הידוע גם בשם באתרי מצמיד. במקרה זה, את הכוח הדרוש כדי להזיז מערבולת חייב להיות גדול יותר מהכוח מצמיד. מאפיינים של מערבולות, כגון צפיפות מערבולת, כוח האינטראקציה וטווח, ניתן לקבוע בקלות על ידי שדה חיצוני, טמפרטורה, או גיאומטריה של המדגם. היכולת לשלוט נכסים אלה גורמת להם מערכת מודל טובה התנהגות חומר מעובית כי יכול להיות מכוונת בקלות, כמו גם מועמדים מתאימים ליישומים אלקטרוניים 1, 2. שליטה על המיקום של מערבולות בודדות חיונית לעיצוב של lo כזהאלמנטים gical.
שליטה מכנית של חלקיקים מגנטיים הושגה לפני. קליסקי et al. לאחרונה השתמש במכשיר פרעות קוונטים מוליכים סריקה (SQUID) ללמוד את שפעת לחץ מכאני מקומי על תיקוני פרומגנטי בממשקי תחמוצת מורכבים 3. הם הצליחו לשנות את הכיוון של התיקון על-ידי סריקה במגע, לחיצה על קצה SQUID לתוך המדגם, הפעלת כוח של עד 1 μN בתהליך. השתמשנו בשיטה דומה בפרוטוקול שלנו כדי להעביר מערבולות.
במחקרים הקיימים של מניפולציה מערבולת, תנועה הושגה על ידי החלת הנוכחי המדגם, ובכך ליצור לורנץ כוח 4, 5, 6. אמנם שיטה זו היא יעילה, היא אינה מקומית, ועל מנת לשלוט מערבולת אחת, נדרש ייצור נוסף. מערבולות יכולות גם להיות manipulated ידי החלת שדה מגנטי חיצוני, למשל באמצעות מיקרוסקופ כוח מגנטי (MFM) או עם סליל שדה SQUID 7, 8. שיטה זו יעילה ומקומית, אבל הכח ליישם ידי הכלים הללו הוא קטן, ויכול לגבור על הכח המצמיד רק בטמפרטורות גבוהות, קרוב הטמפרטורה הקריטית של המוליך. הפרוטוקול שלנו מאפשר מניפולציה יעילה, מקומית בטמפרטורות נמוכות (4 K) ללא ייצור נוסף של המדגם.
אנחנו מערבולות תמונה באמצעות מיקרוסקופיה SQUID הסריקה. החיישן הוא מפוברק על שבב סיליקון אשר הוא מלוטש לפינה, ומודבק על שלוחה גמישה. השלוחה משמשת חישת קיבולים של פני השטח. השבב מושם בזווית המדגם, כך שנקודת הקשר נמצאה בקצה של השבב. אנחנו מיישמים כוחות של עד 2 μN על ידי לחיצה על השבב לתוך המדגם. אנחנו מעבירים את יחסי מדגם קלמארי על ידי אלמנטים piezo. אנחנו זזיםהמערבולת על ידי קשה על קצה סיליקון ליד מערבולת, או על ידי גורף זה, נגיעת המערבולת.
Protocol
Representative Results
Discussion
מניפולציה מוצלחת של מערבולות תלויות כמה שלבים קריטיים. חשוב כדי ליישר את החיישן בזווית, כך הקצה של השבב יהיה הראשון ליצור קשר עם המדגם. שנית, חשוב לציין כי הכח המופעל על המדגם נקבע על ידי התכונות המכאניות של השלוחה כי השבב הוא רכוב על. במשטר אלסטי, הכוח ליישם פרופורציו?…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
אנו מודים א שרוני מאוניברסיטת בר-אילן אוניברסיטת למתן סרטים מוליכי. מחקר זה מומן על ידי האירופי מועצת המחקר גרנט ERC -2014-STG- 639,792, מארי קירי קריירה אינטגרציה גרנט FP7-אנשים-2012-CIG-333,799, וישראל קרן המדע גרנט 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).
