[论文解读] 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 5

一句话总结

本论文提出了一种基于晶界约瑟夫森结的低噪声YBa₂Cu₃O₇（YBCO）直流纳米SQUID，采用聚焦离子束光刻工艺制备，在4.2 K下实现了低于50 nΦ₀/Hz¹/²的白噪声通量水平。该器件可实现对磁性纳米颗粒磁化反转的高灵敏度测量，通过检测39 nm铁纳米线在卷曲模式下切换时产生的82.5 mΦ₀通量变化，实现了3.7 μB/Hz¹/²的自旋灵敏度。

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.

研究动机与目标

• 开发超低噪声纳米SQUID，以实现对磁性纳米颗粒（MNP）磁化反转的高灵敏度检测。
• 克服传统SQUID在高磁场和低频噪声（尤其是1/f噪声）方面的限制。
• 证明基于YBCO的纳米SQUID在定量测量MNP磁开关动力学方面的可行性。
• 识别并表征额外噪声源，如SrTiO₃基底中的缺陷诱导自旋涨落。
• 通过测量封装在碳纳米管中的39 nm铁纳米线的磁化反转，验证器件性能。

提出的方法

• 在具有晶界约瑟夫森结的SrTiO₃基底上，通过聚焦离子束光刻工艺制备YBCO直流纳米SQUID。
• 优化器件几何结构，实现几pH量级的极低电感L，从而最小化磁通噪声。
• 在磁屏蔽环境中于4.2 K下进行电输运和噪声表征。
• 基于伦敦理论进行数值模拟，确定距离10 nm处点状磁矩的磁通耦合因子φμ。
• 采用偏置反转读出方案以抑制1/f噪声，但未能完全消除频率相关的额外噪声。
• 将39 nm铁纳米线置于非优化纳米SQUID上方，在面内磁场下测量其磁化反转行为。

实验结果

研究问题

• RQ1 基于晶界结的YBCO纳米SQUID是否可在磁屏蔽环境中于4.2 K下实现低于50 nΦ₀/Hz¹/²的白噪声通量水平？
• RQ2 频率相关的额外噪声在多大程度上限制了低电感YBCO纳米SQUID的性能？偏置反转是否能有效缓解该问题？
• RQ3 通过卷曲模式切换的磁性纳米线所测得的磁通信号是否与基于其磁矩和几何形状的理论预测定量吻合？
• RQ4 当磁矩位于SQUID环上方10 nm处时，纳米SQUID的自旋灵敏度是多少？与现有技术相比表现如何？
• RQ5 观测到的MHz频段额外噪声的来源是什么？是否可能与SrTiO₃基底中的缺陷诱导自旋有关？

主要发现

• 优化后的YBCO纳米SQUID在4.2 K下实现了低于50 nΦ₀/Hz¹/²的白噪声通量水平，对应于SQUID环上方10 nm处磁矩的自旋灵敏度为3.7 μB/Hz¹/²。
• 39 nm铁纳米线磁化反转过程中测得的±82.5 mΦ₀磁通变化与理论估算值81.4 mΦ₀高度一致，证实了其定量检测能力。
• 观测到的约±100 mT的切换场与理论预测的103 mT（针对dFe = 39 nm、λex = 5.8 nm的纳米线卷曲模式反转）完全吻合。
• 高达7 MHz的频率相关额外噪声仅能通过偏置反转部分抑制，表明存在其他噪声源，如SrTiO₃基底中的缺陷诱导自旋涨落。
• 信噪比相比微霍尔磁力计提高了约一个数量级，噪声幅度从约10 mΦ₀降至约1 mΦ₀。
• 结果表明，YBCO纳米SQUID适用于在中等磁场下对磁性纳米颗粒的磁化反转进行高灵敏度、定量准确的检测。