Post on 16-Oct-2020
CANTILEVER MAGNETOMETRYIN PULSED MAGNETIC FIELD
D. Vignolles1, M. J. Naughton2
1: LNCMP, BP 4245 - 143 Av. de Rangueil, 31432 Toulouse Cedex 42 : Physics Department, Boston College, , 140 Commonwealth Avenue - Chestnut Hill, MA 02467, USA
5 mm
Torque configuration
BM - magnetisation is not parallel to the field
τ = B^M= B.M. sin θ τ : N.mB : TM : J/T : Am2
F : N
Sensibility increase with field
Force configuration
dB/dzM
- magnetisation is parallel to the field- sample in a field gradient
F = (M. Β)
Sensibility increase with field
Capacitance measurementWheastone bridge resolution : 1 pour 1000Radio transformer bridge resolution : 1 pour 100 000 (10 ppm)
VsCs=VxCx
* Capacitance between L and G : parallel to detector affect the sensitivity
* Capacitance between H and G : parallel to transformer windings
*Capacitance : 0.5 pFresolution at zero field ~ 0.05 fF at 20 kHz (τ=100 µs – 24 dB) - (100ppm)
* Sensitivity ~ 3 nNm /fF
* Torque configuration,∆C ~ 0.1 fF 0.3 nN.m 10-11 A.m2 at 35 T (10-8 e.m.u)
* Force configuration, ∆C ~ 0.1 fF 10-9 A.m2 at 35 T (10-6 e.m.u.) Arm length : 2 mmField gradient : 100 T/m (6 cm away from field centre – 35 T 32 T)
* Sample mass less than a few milligrams
* Frequency resonance (without any sample) ~ 800 Hz
Exchange gas (Can not work in liquid)
Liquid helium
Ballast mass
Wool thread
Vibrations
Current in the loop : + 625 µA (10-9 A.m2)Sensibility and lineary domain
No current in the loop
Torque configuration Calibration
Torque configurationCalibration
Alternative current in the loop (10-9 A.m2 – f=120 Hz)
0 100 200 300 400 500 600 7000.9
1.0
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
1.6
1.7
R ésonance
Am
plitu
de (
U.A
.)
F (Hz)
dHvA frequency limit (35 T - 1s coil)
100 Hz 1200 T à 30 T600 T à 20 T
Force configuration40T coil
De Haas Van Alphen
)ζdH
dM Ω−=~
//
( )ζΩ−= HgradM //~~ 1 Md
dFFM θ−=⊥
)Hd
dHM
,
~ 1ζθ
Ω−=⊥
D. Shoenberg
Surface de Fermi elliptique (Ly,Lz), )11()cossin(
sin.costan 22
2
2
2
2// zy
zy
LLLL
MM −
+== ⊥
θθθθϕ
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90
θ
χ
φ
α
y
z
Mα χ
Φ
B
Ly/Lz=5
α-(BEDT-TTF)2TlHg(SCN)4
5 10 15 20 25 30 35 40
-2
0
2
4α -(B E D T -T T F )2T lH g (S C N )4
T=2 K
A (1
0 -10
A.m
2)
B (T)
Metal
CDW?CDW?
(BEDT-TTF)8Hg4Cl12(C6H5Br)2
1 / B (T-1)0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08M
osc (
arbi
t. un
its)
-2-1012 R
/ R
bg -1
0.20.10.0
-0.1-0.2
F (T)0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600Fo
urie
r am
plitu
de (a
rbit.
uni
ts)
0
1
δ
a
a +
δ
2a
2a +
δ
3a +
δ
2[2a
+ δ
]
4a +
δ
θ (°)
-40 -20 0 20 40
mc
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
Resonance configuration
Lock-in 2
610 Hz, 1 ms
Bridge excitation
Loop excitation
α-(BEDT-TTF)2TlHg(SCN)4
Capacitance bridge
20 kHz, 300 µs
Lock-in 1
∆C (610 Hz)
Amplitude
Cantilever fabrication In collaboration with the « LAAS »
Laboratory for Analysis and Architecture of System
Thickness : 5 -15 µm
Length : 1.5 - 4 mm
Width : 1 - 3.8 mm
Dimension choice (t : Thickness, l: Length, w : Width)
Frequency resonance ∝ t/l2
Spring constant ∝ w.(t/l)3
Frequency resonance: 500 - 4kHzSpring constant : 0.25 N/m - 2 N/m
Static and pulsed fieldSimultaneous Resistance and magnetisation measurement
Micro-probe measurement in pulsed magnetic fieldE. Ohmichi, T. Osada
Process :Évaporation d’or face avant - Masquage face avant – Gravure des pistesMasquage face avant – Gravure des motifsMasquage face arrière - Gravure profonde – Évaporation d’or
Pour info,Prix du process : 3600 euros1 wafer SOI : 200 euros (commande par 15), environ 100 cantilevers par wafer
Coût de revient d’un cantilever de l’ordre de 8 euros
Choix de la technique de mesure de la déflexion
- Optique
- Piézo-résistive (par ex, Si dopé au Bore – 10-19)
- ∆R/R ~ 10-5 - 10-6 (∆R/R(10T – 4.2 K) ~10-2 ) -
- Le courant de mesure de R crée une aimantation
nécessite de compenser la magnétorésistance du capteur
- procédé de fabrication plus compliqué (pont de Wheastone intégré)
- Capacitive
- insensible au champ
Autre dispositif sous champ
Champ statique :LCMI : 50 mK – 300 K : 10-11 N.m - 10-13 A.m2 à 30 T (mesure par capacité)
Tallahassee : 10-12 A.m2 à 20 T
Champ pulsé :
La concurrence (Grenoble –Thalaasee - …)
Les ouvertures (Kelvin probe)