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)