Magnetic measurements of nanometric thin films by means of a new sensor based on diamagnetic levitation

Dentro del campo perteneciente a la medición de cantidades muy pequeñas de materiales magnéticos existen hoy en día diversos equipos capaces de detectar campos muy débiles presentes en las muestras bajo estudio. Por ejemplo, los SQUID (dispositivos superconductores de interferencia quántica) que pueden medir muestras con campos magnéticos de hasta 1E-18 Teslas o los SERF (dispositivos basados en intercambio de spin sin relajación). En ambos casos las condiciones de uso son muy exigentes debido a los requisitos de funcionamiento (como la obtención de temperaturas criogénicas en el SQUID o el calentamiento de los átomos de sensado en el SERF). Por ello, el objetivo de este trabajo fin de master es analizar un prototipo de magnetómetro basado en los principios de levitación diamagnética. Con ello se trata de ver cuál es el imán levitante más adecuado a usar así como los problemas derivados del prototipo para ser resueltos. El equipo comprende un sistema de dos imanes permanentes de neodimio, dónde uno de los dos está en posición levitante de equilibrio estable por medio de la presencia de un material diamagnético (grafito pirolítico). La levitación se produce sin necesidad de una fuente externa de energía y a temperatura ambiente. Por otra parte, el espécimen magnético sujeto de estudio ha sido diseñado y fabricado por litografía óptica para obtener microestructuras magnéticas de tamaño variable y grosor nanométrico, de modo que se puedan realizar medidas sistemáticas para analizar la respuesta del sensor. El prototipo ha sido probado con diferentes estrategias de medida y con diferentes geometrías respecto al tamaño del iman, distancia iman-muestra, etc. Asimismo se han comparado los resultados con los realizados con un SQUID obteniendo un límite de medida de 8x10-10 Am2 bajo imán cúbico de lado 1mm, que es similar a lo que puede detectar un instrumento SQUID comercial

Thin-film microsusceptometer with integrated nanoloop

Trabajo presentado al 14th International Superconductive Electronics Conference (ISEC), celebrado en Cambridge, Massachusetts (EE. UU.) del 7 al 11 de julio de 2013.-- et al.We report the design and performance of thin-film microsusceptometers intended for magnetic measurements on samples at variable temperature down to the low mK range and excitation frequencies of up to about 1 MHz. The devices are realized as first-order gradiometers with two circular loops of 60 μm or 30 μm average diameter resulting in a total inductance of 360 pH or 250 pH, respectively. An integrated excitation coil generates a magnetic field with a sensitivity of 0.1 T/A at the sample position, whereas the Josephson junctions are located in a field-reduced area. The susceptometers are fabricated by a conventional Nb/AlOx/Nb trilayer process. In order to enhance the sensitivity to the level required for the measurement of sub-μm samples, an extra detection loop of about 450 nm inner diameter was integrated into one of the pickup loops by using a focused ion beam (FIB). We show that this device is able of detecting signals from very small permalloy samples. An improved susceptometer design for equipment with integrated nanoloops is also presented, for which a total inductance of 50 pH is predicted.This work was partly funded by the European Microkelvin Collaboration within the 7th Framework Programme of the European Commission (Grant number 228464), by the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness (Grant MAT2012-38318-C03), and by the EMRP (EMRP: European Metrology Research Programme) project MetNEMS NEW08. The EMRP is jointly funded by the EMRP participating countries within EURAMET and the European Union.Peer reviewe

Quantum computing with molecular magnets

En esta tesis se ha pretendido realizar y testar los componentes básicos necesarios de un futuro ordenador cuántico usando para ello moléculas magnéticas sencillas. Con este fin se ha comprobado que estas moléculas cumplen con los tres ingredientes principales que necesita reunir un buen candidato: qubits bien definidos y diferenciables, coherencia cuántica y la posibilidad de acoplarse a dispositivos. También se ha estudiado, por tanto, si estas moléculas conservan sus propiedades magnéticas, tales como el espín, la anisotropía magnética, la interacción entre distintos iones, etc., cuando se integran en un sensor. El trabajo que aquí se presenta se divide fundamentalmente en tres partes. Desarrollo, mejora y testado de dispositivos superconductores de interferencia cuántica (SQUID) En esta parte de la tesis se realiza un análisis detallado de varios modelos de dispositivos pertenecientes a nueva generación de susceptómetros SQUID, especialmente diseñados para medir las propiedades magnéticas de muestras de tamaño micrométrico, hasta 30 um de diámetro (capítulo 3). En particular, presentamos un estudio del ruido de estos sensores, teniendo en cuenta las distintas contribuciones extrínsecas al SQUID y provenientes de la electrónica. También se estudia la posibilidad de incluir una etapa amplificadora de bajo ruido, que permita reducir esta contribución. Por otro lado, se ha hecho un cuidadoso análisis sobre el origen de la respuesta magnética de los susceptómetros vacíos, con el fin de llegar a un protocolo común de tratamiento de los datos de susceptibilidad ac obtenidos para distintas muestras. Por último, y con el objetivo de mejorar la sensibilidad de los sensores en la detección de muestras de tamaño nanométrico, en este trabajo se presenta la realización mediante Focused Ion Beam (FIB) de una nanoespira de unos 500 nm de diámetro, en serie con la bobina detectora del SQUID. Esta nanoespira permite mejorar la sensibilidad del dispositivo en esa zona. Para comprobarlo, se incluyen varias medidas con muestras cuyo comportamiento magnético es conocido. Caracterización de cristales de moléculas magnéticas con los que se pueden llevar a cabo puertas lógicas computacionales La segunda parte incluye un estudio de imanes moleculares que contienen uno, dos o tres espines magnéticos débilmente acoplados, con el fin de comprobar que pueden utilizarse para llevar a cabo las operaciones básicas de computación cuántica. Por un lado, se estudian dímeros constituidos por dos iones Ln(III) donde Ln es un lantánido (capítulo 4). Cada uno de los espines que forman el dímero tiene una estructura de niveles tal que los dos niveles de menor energía están fuertemente separados de los niveles superiores, formando, por tanto, sistemas de dos niveles efectivos o qubits. Por otro lado, estos espines están débilmente acoplados entre sí, lo que constituye un sistema de cuatro niveles entrelazados con los que es posible realizar puertas cuánticas de dos qubits, en particular las puertas CNOT y SWAP. En esta tesis se presentan los primeros resultados de realización de estas puertas, en los dímeros de Tb2, Dy2 y ErCe. En cuanto a los trímeros, o imanes moleculares con tres espines magnéticos, en esta tesis se presenta un estudio para el trímero compuesto por dos iones Cu(II) y un ion Er(III) (capítulo 5). En primer lugar se analiza el comportamiento magnético de los dos iones de cobre en el trímero CuLaCu, donde el ion La(III) es diamagnético, y se comprueba que existe un acoplo entre sus espines, permitiendo la realización de puertas de dos qubits, también para este material. Incluyendo la información obtenida para este compuesto, se presenta por último un análisis del comportamiento magnético del trímero CuErCu constatando la existencia de un acoplo muy débil entre los iones cobre (II) y el ion erbio y, por tanto, la posibilidad de realizar puertas cuánticas de tres qubits, como las puertas Fredkin y Toffoli. Estudio de procesos de relajación magnética y deposición de imanes moleculares sobre superficies Esta última parte pretende aunar las dos partes anteriores, depositando las moléculas estudiadas en la parte anterior sobre los dispositivos superconductores del principio mediante la técnica de Dip-Pen Nanolitography (DPN). La intención última es comprobar si estas moléculas mantienen sus propiedades magnéticas al ser sometidas a los efectos de un sustrato sólido ajeno a su estructura cristalina, y comprobar si se trata de sistemas lo suficientemente coherentes como para realizar operaciones cuánticas sin que los estados se degraden demasiado rápido. En primer lugar, en el capítulo 6 se presenta un estudio de los procesos de relajación de estas moléculas en su estado original, atendiendo al origen y las causas de estos procesos. Para ello se ofrecen los resultados en una serie de muestras en las que hay cada vez más niveles accesibles, partiendo de un monómero ErLa con un sólo espín magnético y sin apenas interacciones hiperfinas, hasta llegar al caso de un dímero con dos espines magnéticos y una considerable contribución nuclear, Dy2. Una vez entendidos los procesos de relajación en las muestras cristalinas, se han depositado unas pocas monocapas de estas muestras sobre los SQUID utilizando la técnica DPN, con el fin de comprobar su integridad física (capítulo 7). En particular se describen experimentos para dos muestras diferentes, un imán molecular cuyo comportamiento es bastante conocido, el Mn12, y un dímero de Dy2. En este capítulo se muestran los resultados de las medidas de susceptibilidad ac en comparación con las medidas previas, realizadas sobre microcristales

Control de la dinámica de vórtices en nano-películas superconductoras con espesor modulado

Resumen del póster presentado a la 6ª Jornada de Jóvenes Investigadores en Física y Química de Aragón celebrada en Zaragoza el 20 de noviembre de 2014.Peer reviewe

Enhancement of the liquefaction rate in small-scale helium liquefiers working near and above the critical point

Letter.-- et al.Low-temperature research laboratories with typical liquid-helium consumption of the order of tens of liters per day have greatly benefited from the recent development of small-scale liquefiers. In general, these liquefiers are based on Gifford-McMahon or pulse-tube closed-cycle refrigerators with a nominal cooling power ranging from 1 to 1.5 W at 4.2 K. The liquefaction rate for these cryocooler-based liquefiers depends on the pressure at which the helium is liquefied, although the final user conditions of the produced liquid helium are always atmospheric pressure and boiling temperature (e.g., 4.2 K at 100 kPa). Here, we show a systematic study on this effect, in which an enhancement in excess of 70% in liquefaction rate is found experimentally for pressures near and above the critical point of helium (220 kPa). We propose that the underlying mechanism for the liquefaction enhancement is based on the increase in cryocooler cooling power with temperature and the decrease of the helium enthalpy with pressure.Financial support from the Spanish Ministry of Economy and Competitiveness through Project No. IPT-2012-0442-420000, in addition to European Union FEDER funds, is gratefully acknowledged.Peer Reviewe

Microsusceptometría SQUID aplicada a nanodiscos superconductores

Una de las técnicas más eficaces para medir susceptibilidad magnética utiliza sensores SQUID, fabricados y comercializados a tamaño micrométrico (microSQUIDs). Una propuesta para aumentar su acoplo con muestras nanométricas es fabricar una nanoespira en uno de los brazos de un sensor microSQUID. En este trabajo se han abordado dos retos que buscan optimizar la microsusceptometría SQUID aplicada a nanodiscos superconductores. En primer lugar, se ha desarrollado un método de colocación de muestras reversible y no destructivo a partir de portamuestras de nitruro de silicio fabricados mediante litografía óptica. Después, sirviendonos de estos portamuestras, se ha llevado a cabo un estudio experimental en el que se ha estudiado la señal magnética de nanodiscos de W depositado mediante FIBID en función de su posición en el sensor, en el que se ha fabricado una nanoespira. Los discos han sido detectados en todas las posiciones del SQUID, sin embargo, la fabricación de una nanoespira no ha supuesto una mejora ya que no se ha podido optimizar la altura de las muestras

Purification of recovered helium with low level of impurities: evaluation of two different methods

Helium gas coming from low temperature experimental systems is recovered to avoid losses of this scarce gas on Earth. Once this helium gas has been recovered and before its liquefaction, the impurities contained should be removed. It is possible to achieve a low level of impurities by using the proper materials and procedures on the road to helium recovery. A comparison of two different methods applied for the purification of recovered helium with low level of impurities is reported in this paper. One method is the use of liquid nitrogen traps and the other one is the application of a purification system based on getter materials. The cleaning efficiency has been probed experimentally for both methods through the analysis of the purified He gas. The evaluation covers the life time between regenerations, the everyday care as well as the long term, the energy consumption, the initial investment besides the cost of maintenance of both methods

Enhancement of long-range correlations in a 2D vortex lattice by an incommensurate 1D disorder potential

arXiv:1410.7782v1Long-range correlations in two-dimensional (2D) systems are significantly altered by disorder potentials. Theory has predicted the existence of disorder-induced phenomena, such as Anderson localization or the emergence of a Bose glass. More recently, it has been shown that when disorder breaks 2D continuous symmetry, long-range correlations can be enhanced. Experimentally, developments in quantum gases have allowed the observation of the effects of competition between interaction and disorder. However, experiments exploring the effect of symmetry-breaking disorder are lacking. Here, we create a 2D vortex lattice at 0.1 K in a superconducting thin film with a well-defined 1D thickness modulation - the symmetry-breaking disorder - and track the field-induced modification using scanning tunnelling microscopy. We find that the 1D modulation becomes incommensurate with the vortex lattice and drives an order-disorder transition, behaving as a scale-invariant disorder potential. We show that the transition occurs in two steps and is mediated by the proliferation of topological defects. The resulting critical exponents determining the loss of positional and orientational order are far above theoretical expectations for scale-invariant disorder and follow instead the critical behaviour describing dislocation unbinding melting. Our data show that randomness disorders a 2D crystal, with enhanced long-range correlations due to the presence of a 1D modulation.This work was supported by the Spanish MINECO (FIS2011-23488, MAT2011-27553-C02, MAT 2012-38318-C03, Consolider Ingenio Molecular Nanoscience CSD2007-00010), the Comunidad de Madrid through program Nanobiomagnet (S2009/MAT-1726) and by the Marie Curie Actions under the project FP7-PEOPLE-2013-CIG-618321 and contract no. FP7-PEOPLE-2010-IEF-273105.Peer Reviewe

Helium contamination through polymeric walls

The concentration of impurities in helium gas is an important parameter for a recovery and liquefaction plant. A low level of impurities is necessary to maintain an optimum liquefaction rate in any kind of liquefier. The main origin of the impurities is the air contamination that enters into the helium mainstream at some point in the recovery cycle. In this work we have: i) identified the main sources for impurities in an experimental helium recovery plant, ii) quantified the contamination rate and iii) proposed a mitigation strategy. An analysis of the He impurities composition reveals a nitrogen/oxygen ratio different to the one existing in air. This observation is in accordance with the permeability values for nitrogen and oxygen through the polymer materials used in the plant. Experimental on line measurements for oxygen content in the He mainstream with sensitivity below 1 ppm, have been performed after recirculation through metal and polymeric pipelines, respectively, to validate our hypothesis. In addition, the dependence of the impurities concentration with the He retention time in the recovery gas bag has been evaluated. Finally some operational recommendations are given for practical applications

Spin dynamics of Dy2 molecules deposited onto micro-SQUID sensors

Resumen del trabajo presentado al APS March Meeting, celebrado en Chicago (USA) del 14 al 18 de marzo de 2022.We acknowledge support from EU (FATMOLS FETOPEN-RIA-2019-01 862893, QUANTERA SUMO), Spanish MCIU/AEI/FEDER (RTI-2018-096075-B C21, PCI2018-093116) and CSIC Research Platform PTI-001N