[論文レビュー] Low-Noise YBa$_2$Cu$_3$O$_7$ NanoSQUIDs for Performing Magnetization-Reversal Measurements on Magnetic Nanoparticles

Tobias Schwarz, Roman Wölbing+7 more|arXiv (Cornell University)|Mar 20, 2015

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

本論文では、焦点を当てたイオンビームリソグラフィーを用いて作製された、ヨットバリウムケイ酸タンパク質（YBCO）のグレインバウンダージョセフソン接合を有する低ノイズdcナノSQUIDを提示する。4.2 Kで白色フラックスノイズレベルが50 nΦ₀/Hz¹/²未満に達し、磁性ナノ粒子の高感度磁化反転測定が可能になった。39 nmのFeナノワイヤーがカールモードで反転する際の82.5 mΦ₀のフラックス変化を検出でき、スピン感度は3.7 μB/Hz¹/²であった。

ABSTRACT

We fabricated YBa$_2$Cu$_3$O$_7$ (YBCO) direct current (dc) nano superconducting quantum interference devices (nanoSQUIDs) based on grain boundary Josephson junctions by focused ion beam patterning. Characterization of electric transport and noise properties at 4.2$\\,$K in magnetically shielded environment yields a very small inductance $L$ of a few pH for an optimized device geometry. This in turn results in very low values of flux noise $<50\\,{\ m n}\\Phi_0/{\ m Hz}^{1/2}$ in the thermal white noise limit, which yields spin sensitivities of a few $\\mu_{\ m B}/{\ m Hz}^{1/2}$ ($\\Phi_0$ is the magnetic flux quantum and $\\mu_{\ m B}$ is the Bohr magneton). We observe frequency-dependent excess noise up to 7$\\,$MHz, which can only partially be eliminated by bias reversal readout. This indicates the presence of fluctuators of unknown origin, possibly related to defect-induced spins in the SrTiO$_3$ substrate. We demonstrate the potential of using YBCO nanoSQUIDs for the investigation of small spin systems, by placing a 39$\\,$nm diameter Fe nanowire, encapsulated in a carbon nanotube, on top of a non-optimized YBCO nanoSQUID and by measuring the magnetization reversal of the Fe nanowire via the change of magnetic flux coupled to the nanoSQUID. The measured flux signals upon magnetization reversal of the Fe nanowire are in very good agreement with estimated values, and the determined switching fields indicate magnetization reversal of the nanowire via curling mode.

研究の動機と目的

• 磁性ナノ粒子（MNP）の磁化反転を超高感度で検出可能な超低ノイズナノSQUIDの開発を目的とする。
• 特に1/fノイズを含む高磁場および低周波数ノイズにおける従来のSQUIDの限界を克服することを目的とする。
• YBCOベースのナノSQUIDがMNPの磁気的スイッチングダイナミクスを定量的に測定可能であることを実証することを目的とする。
• スタンナイト酸ストラトス（SrTiO₃）基板における欠陥誘発スピンフラクチュエーションのような過剰ノイズ源を同定・特徴づけること。
• カーボンナノチューブに封入された39 nmのFeナノワイヤーの磁化反転を測定することで、デバイス性能を検証すること。

提案手法

• グレインバウンダージョセフソン接合を有するSrTiO₃基板上に、焦点を当てたイオンビームリソグラフィーを用いてYBCO dcナノSQUIDを製作した。
• 非常に低いインダクタンスL（数pH程度）を達成するため、デバイスの幾何形状を最適化した。
• 磁気シールド環境下で4.2 Kで電気的輸送およびノイズ特性を測定した。
• ロンドン理論に基づく数値シミュレーションを用い、10 nmの距離にある点状磁気モーメントの磁束結合係数φμを決定した。
• 1/fノイズを低減するためにバイアス反転読み出し方式を採用したが、周波数依存の過剰ノイズは完全に除去できなかった。
• 非最適化ナノSQUID上に39 nmのFeナノワイヤーを配置し、面内磁場下での磁化反転を測定した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 YBCOナノSQUIDが、グレインバウンダージョセフソン接合を有し、磁気シールド環境下で4.2 Kで白色フラックスノイズレベルが50 nΦ₀/Hz¹/²未満に達するか。
• RQ2 周波数依存の過剰ノイズが低インダクタンスYBCOナノSQUIDの性能をどの程度制限し、バイアス反転によって緩和可能か。
• RQ3 カールモードで反転する磁性ナノワイヤーからの測定フラックス信号が、その磁気モーメントと幾何学的形状に基づく理論的予測と定量的に一致するか。
• RQ4 10 nm上に位置する磁気モーメントに対して、ナノSQUIDのスピン感度はどの程度であり、既存技術と比較してどうか。
• RQ5 観測されたMHz帯域の過剰ノイズの原因は何か。SrTiO₃基板における欠陥誘発スピンが関係している可能性はあるか。

主な発見

• 最適化されたYBCOナノSQUIDは、4.2 Kで白色フラックスノイズレベルが50 nΦ₀/Hz¹/²未満に達し、SQUIDループ上10 nmの磁気モーメントに対してスピン感度は3.7 μB/Hz¹/²に達した。
• 39 nmのFeナノワイヤーの磁化反転中に測定されたフラックス変化±82.5 mΦ₀は、理論的推定値81.4 mΦ₀とよく一致しており、定量的検出能力が確認された。
• 約±100 mTの観測スイッチング場は、dFe = 39 nmおよびλex = 5.8 nmを有するナノワイヤーにおけるカールモード反転の予測核生成場103 mTと非常に良好に一致した。
• 7 MHzまで延びる周波数依存の過剰ノイズはバイアス反転によって部分的にしか抑制できず、SrTiO₃基板内の欠陥誘発スピンフラクチュエーションなどの追加ノイズ源が存在することが示唆された。
• 信号対ノイズ比は、従来のマイクロホール磁気計測と比較して約1桁向上し、ノイズ振幅は約1 mΦ₀（従来は約10 mΦ₀）であった。
• 結果から、YBCOナノSQUIDは中程度の磁場下で磁性ナノ粒子の磁化反転を高感度かつ定量的に検出可能であることが確認された。