[논문 리뷰] Low-Noise YBa$_2$Cu$_3$O$_7$ NanoSQUIDs for Performing Magnetization-Reversal Measurements on Magnetic Nanoparticles

Tobias Schwarz, Roman Wölbing외 7명|arXiv (Cornell University)|2015. 03. 20.

Physics of Superconductivity and Magnetism인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 초점 이온 비임의 패턴링을 통해 제작된 입자 경계 조셉슨 접합을 갖는 저잡음 YBa₂Cu₃O₇ (YBCO) dc 나노SQUIDs를 제시하며, 4.2 K에서 백색 플럭스 잡음 수준이 50 nΦ₀/Hz¹/² 이하에 도달하였다. 이 장치들은 자기 나노입자의 자화 반전 측정에 높은 민감도를 제공하며, 39 nm의 Fe 나노와이어가 코일링 모드로 전환할 때 82.5 mΦ₀의 플럭스 변화를 감지함으로써, 3.7 μB/Hz¹/²의 스핀 민감도를 입증하였다.

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.

연구 동기 및 목표

• 자기 나노입자(MNP)의 자화 반전을 초고감도로 감지하기 위한 초저잡음 나노SQUIDs 개발.
• 특히 1/f 잡음 문제를 야기하는 고자기장 및 저주파수 잡음에서의 전통적 SQUIDs의 한계를 극복하기 위한 목표.
• YBCO 기반 나노SQUIDs가 MNP의 자기 스위칭 동역학을 정량적으로 측정하는 데의 가능성을 입증하기 위한 목표.
• SrTiO₃ 기판에서의 결함 유도 스핀 변동과 같은 과잉 잡음의 원인을 규명하고 특성화하기 위한 목표.
• 탄소 나노튜브에 봉입된 39 nm Fe 나노와이어의 자화 반전 측정을 통해 장치 성능을 검증하기 위한 목표.

제안 방법

• 입자 경계 조셉슨 접합을 갖는 YBCO dc 나노SQUIDs를 SrTiO₃ 기판에 초점 이온 비임 패턴링을 통해 제작.
• 매우 낮은 인덕성 L(수 pH 수준)을 달성하기 위해 장치 기하학적 구조를 최적화하여 플럭스 잡음 최소화.
• 자기적으로 차폐된 환경에서 4.2 K에서 전기적 운반 및 잡음 특성 측정 수행.
• 런던 이론 기반 수치 시뮬레이션을 활용해 10 nm 거리에 있는 점입자 자기모멘트에 대한 자기 플럭스 결합 계수 φμ 산정.
• 1/f 잡음을 억제하기 위해 바이어스 반전 독출 기법을 적용하였지만, 주파수 의존 과잉 잡음은 완전히 제거되지 않음.
• 최적화되지 않은 나노SQUID 위에 39 nm Fe 나노와이어를 배치하고, 평면 자기장 하에서의 자화 반전 측정 수행.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 입자 경계 접합을 갖는 YBCO 나노SQUIDs는 자석 차폐 환경에서 4.2 K에서 백색 플럭스 잡음 수준이 50 nΦ₀/Hz¹/² 이하에 도달할 수 있는가?
• RQ2 주파수 의존 과잉 잡음은 저인덕턴스 YBCO 나노SQUIDs의 성능을 어느 정도 제한하는가? 그리고 바이어스 반전 기법으로 이를 완화할 수 있는가?
• RQ3 코일링 모드로 전환하는 자기 나노와이어에서 측정된 플럭스 신호가 그 자기모멘트와 기하학적 구조에 기반한 이론적 예측과 정량적으로 일치하는가?
• RQ4 10 nm 떨어진 곳에 위치한 자기모멘트에 대해 나노SQUIDs의 스핀 민감도는 얼마이며, 기존 기술과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 관측된 MHz 대역 과잉 잡음의 기원은 무엇이며, 이는 SrTiO₃ 기판 내의 결함 유도 스핀에 기인할 수 있는가?

주요 결과

• 최적화된 YBCO 나노SQUIDs는 4.2 K에서 백색 플럭스 잡음 수준이 50 nΦ₀/Hz¹/² 이하에 도달하였으며, 이는 SQUID 루프 위 10 nm 떨어진 자기모멘트에 대해 3.7 μB/Hz¹/²의 스핀 민감도에 해당한다.
• 39 nm Fe 나노와이어의 자화 반전 과정에서 측정된 플럭스 변화 ±82.5 mΦ₀는 이론적 추정치 81.4 mΦ₀와 매우 밀접하게 일치하여 정량적 감지 능력을 확인하였다.
• 관측된 스위칭 필드 약 ±100 mT는 dFe = 39 nm 및 λex = 5.8 nm 조건에서 코일링 모드 반전의 예측 핵형성장 103 mT와 뛰어난 일치를 보였다.
• 7 MHz까지 연장되는 주파수 의존 과잉 잡음은 바이어스 반전으로 부분적으로만 억제되었으며, 이는 SrTiO₃ 기판 내 결함 유도 스핀 변동과 같은 추가적인 잡음원 존재를 시사한다.
• 기존의 마이크로홀 마그네토미터 측정 대비 약 10배 향상된 신호 대 잡음비를 확보하였으며, 잡음 진폭은 약 1 mΦ₀로 이전 측정치의 약 10 mΦ₀보다 훨씬 낮았다.
• 결과적으로 YBCO 나노SQUIDs가 중간 강도 자기장에서 자기 나노입자의 자화 반전을 고감도 및 정량적 정확도로 감지하는 데 적합함을 확인하였다.