La scansione SQUID Studio di Vortex manipolazione da locale Contatto
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
Vortici sono oggetti magnetici su scala nanometrica, costituite tipo 2 superconduttori in presenza di campo magnetico esterno. In un campione privo di difetti, vortici possono muoversi liberamente. Tuttavia, diversi difetti nel risultato materiale in regioni di superconduttività ridotta che sono energeticamente favorevole per vortici. Vortici tendono a decorare queste regioni, noti anche come i siti di pinning. In questo caso, la forza necessaria per spostare un vortice deve essere maggiore della forza pinning. Proprietà di vortici, come la densità vortice, forza di interazione e gamma, possono essere facilmente determinati dal campo esterno, la temperatura o la geometria del campione. La capacità di controllare queste proprietà loro un buon sistema modello per il comportamento materia condensata che può essere facilmente regolato, nonché idonei per applicazioni elettroniche 1, 2 rende. Il controllo della posizione dei singoli vortici è essenziale per la progettazione di tale loElementi gici.
Controllo meccanico delle nanoparticelle magnetiche era stato raggiunto prima. Kalisky et al. recentemente utilizzato scansione superconduttori dispositivo interferenza quantistica (SQUID) per studiare l'influenza di stress meccanico locale sulla patch ferromagnetici nelle interfacce di ossidi complessi 3. Sono stati in grado di cambiare l'orientamento del patch di scansione a contatto, premendo la punta del SQUID nel campione, applicando una forza di fino a 1 μN nel processo. Abbiamo usato un metodo simile nel nostro protocollo per spostare vortici.
In studi esistenti di manipolazione vortice, movimento è stata ottenuta applicando corrente al campione, creando così Lorentz forza 4, 5, 6. Mentre questo metodo è efficace, non è locale, e per controllare un singolo vortice, è necessaria fabbricazione aggiuntivo. Vortici possono anche essere manipulated applicando campo magnetico esterno, per esempio con un microscopio a forza magnetica (MFM) o con una bobina di campo SQUID 7, 8. Questo metodo è efficace e locale, ma la forza applicata da questi strumenti è piccola, e può superare la forza pinning solo ad alte temperature, vicino alla temperatura critica del superconduttore. Il nostro protocollo permette efficace, manipolazione locale a basse temperature (4 K) senza ulteriore realizzazione del campione.
Abbiamo vortici di immagini usando la microscopia a scansione SQUID. Il sensore è fabbricato in un chip di silicio che è lucidato in un angolo, e incollato su un cantilever flessibile. Il cantilever viene utilizzato per il rilevamento capacitivo della superficie. Il chip è posto ad un angolo al campione, in modo che il punto di contatto è sulla punta del chip. Applichiamo forze fino a 2 μN spingendo il chip nel campione. Si passa il campione relativo al SQUID da elementi piezoelettrici. Ci muoviamoil vortice toccando la punta di silicio accanto ad un vortice, o da spazzare esso, toccando il vortice.
Protocol
Representative Results
Discussion
manipolazione di successo di vortici dipende da diversi passaggi critici. È importante allineare il sensore ad un angolo, in modo che la punta del chip sarà il primo a fare contatto con il campione. In secondo luogo, è importante notare che la forza esercitata sul campione è determinata dalle proprietà meccaniche del cantilever che il chip è montato. Nel regime elastica, la forza applicata è proporzionale alla deflessione, x, secondo la legge di Hooke:
F = -kx
Se k è la costan…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Ringraziamo A. Sharoni da Bar-Ilan University per la fornitura dei film superconduttori. Questa ricerca è stata sostenuta dal Consiglio europeo della ricerca sovvenzione CER-2014-STG- 639792, integrazione Marie Curie Career Grant FP7-PEOPLE-2012-CIG-333.799, e Israele Science Foundation Grant 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).
