Name: scanning squid study of vortex manipulation by local contact
Uploaded: 2017-02-01T14:00:00.000+00:00
Duration: 6 min 53 s
Description: Watch this Scientific Journal Video about Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact at JoVE.com

نشكر A. شاروني من جامعة بار ايلان لتقديم الأفلام فائقة التوصيل. وأيد هذا البحث من قبل المجلس الأوروبي للبحوث غرانت ERC-2014-STG- 639792 والتكامل ماري كوري الوظيفي غرانت FP7-PEOPLE-2012-CIG-333799، والعلوم إسرائيل منحة مؤسسة قوى الأمن الداخلي، 1102-1113.

1. الوصول إلى نظام المسح الضوئي الحبار <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> استخدام نظام الحبار المسح التي تضم جهاز استشعار الحبار ملفقة على شريحة 9، 10، عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، والماسح الضوئي على أساس بيزو لحركة غرامة. انظر الشكل 1. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تلميع رقاقة الحبار في الزاوية حول حلقة صغيرة. المواد من الشريحة تحتاج إلى إزالة كل وسيلة لحلقة صغيرة. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تلميع بلطف الحبار، وذلك باستخدام ورقة تلميع غير مغنطيسية 5-0،5 ميكرومتر. ملاحظة: بعد مرحلة تلميع لا يمكن أن تتحقق في حلقة صغيرة الى مقربة، أو الاتصال، مع العينة. </li></ol></li></ol> 2. ترسب النيوبيوم (ملحوظة) رقيقة مع التيار المباشر (DC) الاخرق <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الحصول على الركيزة. في هذا العمل، واستخدام الركيزة السيليكون مخدر البورون مع 500 نيوتن متر من أكسيد السيليكون. ركائز أخرى مثل SrTiO وأهداب الشوق ممكنة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> التوصل إلى لض قاعدةإعادة 10 -7 عربة في الغرفة. قبل تفل غرفة التبخر في درجة حرارة الغرفة مع ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S لمدة 10 دقيقة. لاحظ أن عملية ترسب يمكن أن تبدأ إلا عندما يكون ضغط قاعدة في الغرفة أقل من 10 -7 عربة. إذا كان الضغط أعلى تكرار في مرحلة ما قبل الاخرق. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> وضع الركيزة في الغرفة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إيداع ملحوظة طبقة رقيقة من قبل الاخرق في درجة حرارة الغرفة من ملحوظة الهدف 99.95٪، في بيئة الأرجون عند ضغط 2.4 mTorr مع معدل ترسب 1.8 A / S. </li></ol> 3. عينة من طرف محاذاة <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> في هذه المرحلة، محاذاة رقاقة الاستشعار مع العينة بحيث غيض من الشريحة يجعل الاتصال مع عينة عندما تتحرك الدوامات. ولتحقيق ذلك، استخدم زاوية المواءمة بين 4 على الأقل درجة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الغراء ناتئ مرونة على لوحة إجراء بطبقة عازلة. ثم، الغراء تشي الحبارع على تعزية. السعة بين ناتئ ولوحة ثابتة تحدد اتصال مع العينة ومدى الإجهاد المطبق. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عينة الحمل على المجهر. الغراء العينة على عينة المعينة جبل استخدام الورنيش أو الفضة عجينة. الغراء جبل لعنصر Z بيزو (الشكل 1A). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ربط نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق إلى وحدة تحكم. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إعداد التصوير الضوئي من زاويتين - الجبهة والجانب من الشريحة. استخدام اثنين من التلسكوبات وضعت على مراحل الترجمة، وتوجه إلى الجزء الأمامي من رقاقة واحدة من جانبيها. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> باستخدام Z عصا الانزلاق مرحلة حركة الخشنة، ونقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار، بحيث انعكاس استشعار مرئيا على العينة. ملاحظة: اتصل بين العينة وأجهزة الاستشعار في هذه المرحلة قد تضر الحبار. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نقل عينة 0،5-1 ملم بعيدا من أجهزة الاستشعار على استخدام المرحلة Z عصا الانزلاق الخشنة الحركة لمنع الأضرار التي لحقت Sمضغة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تدوير مسامير محاذاة (الشكل 1A) للحصول على زوايا الجبهة متساوية (أي الزوايا الجانبين من طرف شريحة تجعل مع انعكاسه، كما رأينا في الشكل 1C). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نقل العينة إلى مسافة 1 ميكرون من أجهزة الاستشعار. تحقق من الزوايا وكرر الخطوة 3.7 و 3.8 إذا لزم الأمر. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تدوير مسامير محاذاة للحصول على زاوية من 4 درجات بين أجهزة الاستشعار والعينة (1D الشكل). تأكد من غيض من رقاقة هو الجزء الذي يجعل الاتصال مع العينة. </li></ol> 4. القياسات <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحميل رئيس المسح الضوئي (الشكل 1A) إلى نظام 4 K التبريد. يجب أن تكون متصلا رأس المسح الضوئي إلى لوحة الباردة، وتحيط بها علبة فراغ: ملاحظة. سلك لفائف حول العلبة لتطبيق مجال مغناطيسي خارجي (حقول منخفضة من عدة غاوس كافية لهذه الدراسة). تغطية هذا الإعداد مع درع مو المعادن. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> بارد في وجود ماغنيالحقل عرة، من خلال تطبيق الحالية من خلال لفائف المحيطة المجهر. اختيار قوة المجال بعناية لتحقيق كثافة دوامة المطلوب. استخدام 1Φ 0 = 20.7 G / ميكرون 2 لحساب الحقل التباطؤ. على سبيل المثال، لمدة 10 الدوامات في 10 ميكرون 10 ميكرون المنطقة، وتطبيق 2.07 G. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> لتغيير لكثافة دوامة عينة الحرارة جديدة فوق درجة حرارة فائقة التوصيل الانتقال (لملحوظة، والحرارة فوق 10 K). تطبيق الحقل الجديد. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> عينة باردة إلى 4.2 ك. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحويل المجال المغناطيسي خارج. تحويل الحبار جرا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> نقل عينة قريبة من الحبار باستخدام نظام الحركة الخشنة عصا الانزلاق. <ol style=";text-align:right;direction:rtl"><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تطبيق الفولتية المتزايد على المكعب Z-عصا زلة لنقل عينة أقرب إلى شرائح الحبار. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تطبيق الجهد بين ناتئ ولوحة لقراءة السعة باستخدام جسر السعة (0،1-1 الخامس عادة). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اكتساح التيار الكهربائي عن العنصر Z بيزو. قياس السعة بين ناتئ وبلاته. إذا حدث تغيير كبير في السعة، وكانت العينة في اتصال مع رقاقة الحبار. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> إذا لم العينة اجراء اتصالات مع رقاقة، كرر الخطوات 4.6.1-4.6.3 حتى لوحظ الاتصال. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختياري: استخدام الحركة بالطبع لضبط التباعد بين طرف والعينة بحيث يحدث الاتصال في الفولتية المنخفضة (0-10 V تطبيقها على Z بيزو). </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> ذات مرة كان هناك اتصال، كرر الخطوات من 4.6.2-4.6.3 في عدة مواقع من أجل تحديد زوايا الميل للسطح وتحديد الطائرة من العينة، نسبة إلى أجهزة الاستشعار. </li></ol></li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اكتساح التيار الكهربائي عن العناصر X و Y بيزو من أجل تحريك العينة بالنسبة إلى أجهزة الاستشعار. مسح على ارتفاع ثابت فوق عينة، من دون اتصال بين طرف والعينة، وذلك لرسم خريطة توزيع دوامة. تحقيق ارتفاع المسح المستمر عن طريق تغيير الجهد على بيزو Z وفقا لمواقع X و Y، والطائرة المحددة في 4.6. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> اختيار دوامة ومسح أروالثانية أن تحدد بدقة موقع وسطها. لاحظ أن الموقع دوامة نسبة إلى حلقة صغيرة الحبار، وليس لجهة الاتصال. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحويل الحبار قبالة. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تطبيق الجهد أكبر من هبوط الجهد لض بيزو وإما الصنبور بجوار مركز الدوامة أو كنس دوامة عن طريق سحب أجهزة الاستشعار (في اتصال مع عينة) ببطء على العينة إلى الموقع المطلوب. فإن دوامة التحرك نحو الصنبور أو في الاتجاه الكاسح. القيم النموذجية لإضافتها إلى تطبيق ض بيزو الجهد هي 2-5 V. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> تحويل الحبار جرا. </li><li style=";text-align:right;direction:rtl"> الصورة مرة أخرى على ارتفاع مستمر من دون اتصال لتحديد الموقع الجديد من دوامة. </li></ol>

<ol>
	<li>Olson Reichhardt, C. J., Hastings, M. B. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Do+Vortices+Entangle?.">Do Vortices Entangle?.</a> Phys. Rev. Lett. 92, 157002 (2004).</li><li>Milo&#353;evi&#263;, M. V., Berdiyorov, G. R., Peeters, F. M. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Fluxonic+cellular+automata.">Fluxonic cellular automata.</a> Appl. Phys. Lett. 91, 212501 (2007).</li><li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Scanning+Probe+Manipulation+of+Magnetism+at+the+LaAlO3/SrTiO3+Heterointerface.">Scanning Probe Manipulation of Magnetism at the LaAlO3/SrTiO3 Heterointerface.</a> Nano Lett. 12, 4055-4059 (2012).</li><li>Silva, C. C. D. S., Van de Vondel, J., Morelle, M., Moshchalkov, V. V. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Controlled+multiple+reversals+of+a+ratchet+effect.">Controlled multiple reversals of a ratchet effect.</a> Nature. 440, 651-654 (2006).</li><li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Dynamics+of+single+vortices+in+grain+boundaries:+I-V+characteristics+on+the+femtovolt+scale.">Dynamics of single vortices in grain boundaries: I-V characteristics on the femtovolt scale.</a> Appl. Phys. Lett. 94, 202504 (2009).</li><li>Embon, L., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Probing+dynamics+and+pinning+of+single+vortices+in+superconductors+at+nanometer+scales.">Probing dynamics and pinning of single vortices in superconductors at nanometer scales.</a> Sci. Rep. 5, 7598 (2015).</li><li>Auslaender, O. M., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanics+of+individual+isolated+vortices+in+a+cuprate+superconductor.">Mechanics of individual isolated vortices in a cuprate superconductor.</a> Nature Phys. 5, 35-39 (2008).</li><li>Kalisky, B., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Behavior+of+vortices+near+twin+boundaries+in+underdoped+Ba(Fe1-xCox)2As2.">Behavior of vortices near twin boundaries in underdoped Ba(Fe1-xCox)2As2.</a> Phys. Rev. B. 83, 064511 (2011).</li><li>Huber, M. E., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Gradiometric+micro-SQUID+susceptometer+for+scanning+measurements+of+mesoscopic+samples.">Gradiometric micro-SQUID susceptometer for scanning measurements of mesoscopic samples.</a> Rev. Sci. Instrum. 79, 053704 (2008).</li><li>Koshnick, N. C., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=A+terraced+scanning+super+conducting+quantum+interference+device+susceptometer+with+submicron+pickup+loops.">A terraced scanning super conducting quantum interference device susceptometer with submicron pickup loops.</a> Appl. Phys. Lett. 93, 243101 (2008).</li><li>Kremen, A., et al. <a target="_blank" href="http://www.ncbi.nlm.nih.gov/entrez/query.fcgi?db=PubMed&cmd=Search&doptcmdl=Citation&defaultField=Title+Word&term=Mechanical+Control+of+Individual+Superconducting+Vortices.">Mechanical Control of Individual Superconducting Vortices.</a> Nano Lett. 16, 1626-1630 (2016).</li></ol>

The authors have nothing to disclose.

التلاعب الناجح من الدوامات يعتمد على عدة خطوات حاسمة. ومن المهم لتحقيق المواءمة بين أجهزة الاستشعار في زاوية، بحيث غيض من رقاقة سيكون أول لاجراء اتصالات مع العينة. ثانيا، من المهم أن نلاحظ أن القوة المبذولة على عينة يتم تحديدها من قبل الخواص الميكانيكية للناتئ أن يت?...

الدوامات هي كائنات المغناطيسية على مقياس النانو، التي شكلت في نوع 2 الموصلات الفائقة في وجود مجال مغناطيسي خارجي. في عينة عيب مجانا، ويمكن الدوامات التحرك بحرية. ومع ذلك، عيوب مختلفة في نتيجة مادية في مناطق انخفاض الموصلية الفائقة التي مواتية بقوة لالدوامات. الدوامات تميل لتزيين هذه المناطق، والمعروف أيضا باسم مواقع تعلق. في هذه الحالة، يجب أن تكون القوة اللازمة لتحريك دوامة أكبر من القوى المثبتة. خصائص الدوامات، مثل كثافة دوامة، قوة التفاعل وطائفة، ويمكن تحديدها بسهولة عن طريق الحقل الخارجي، ودرجة الحرارة، أو الهندسة من العينة. القدرة على التحكم في هذه الخصائص تجعلها نظام نموذجا جيدا للسلوك المادة المكثفة التي يمكن ضبطها بسهولة، فضلا عن المرشحين المناسبين للتطبيقات الالكترونية 1، 2. السيطرة على موقع الدوامات الفردية أمر ضروري لتصميم مثل هذا لوعناصر gical. قد تحققت المكافحة الميكانيكية النانوية المغناطيسية قبل. Kalisky وآخرون. المستخدمة مؤخرا مسح فائقة التوصيل تدخل الجهاز الكم (الحبار) لدراسة تأثير الإجهاد الميكانيكي المحلي على بقع المغناطيسية في واجهات أكسيد معقدة 3. انهم كانوا قادرين على تغيير اتجاه التصحيح عن طريق المسح الضوئي في الاتصال، والضغط على غيض من الحبار في العينة، تطبيق قوة تصل إلى 1 μN في هذه العملية. وقد استخدمنا طريقة مماثلة في بروتوكول لدينا من أجل المضي الدوامات. في الدراسات الموجودة التلاعب دوامة، وقد تحقق الحركة من خلال تطبيق الحالية للعينة، وبالتالي خلق لورنتز القوة 4، 5، 6. بينما هذه الطريقة فعالة، فإنه ليس المحلي، وسعيا للسيطرة على دوامة واحدة، مطلوب تلفيق إضافية. الدوامات ويمكن أيضا أن يكون manipulated من خلال تطبيق مجال مغناطيسي خارجي، على سبيل المثال مع مجهر القوة المغناطيسية (MFM) أو مع لفائف المجال الحبار 7 و 8. هذه الطريقة فعالة والمحلي، ولكن القوة التي تطبقها هذه الأدوات الصغيرة، ويمكن التغلب على القوى المثبتة فقط في درجات حرارة عالية، على مقربة من درجة الحرارة الحرجة للموصل جيد للكهرباء. يسمح بروتوكول لدينا فعالية التلاعب المحلي، في درجات حرارة منخفضة (4 K) دون تلفيق إضافية من العينة. نحن الدوامات الصورة باستخدام المسح المجهري الحبار. ملفقة الاستشعار عن رقاقة السيليكون الذي مصقول في الزاوية، ولصقها على ناتئ مرونة. يتم استخدام تعزية للاستشعار بالسعة من السطح. يتم وضع رقاقة في زاوية لعينة، بحيث نقطة الاتصال هي على طرف الرقاقة. نحن نطبق قوى تصل إلى 2 μN عن طريق دفع الشريحة في العينة. ننتقل العينة بالنسبة إلى الحبار من قبل عناصر بيزو. ننتقلدوامة من خلال الاستفادة من طرف السيليكون بجانب الدوامة، أو عن طريق تجتاح ذلك، ولمس دوامة.

<table><tbody><tr><td>stick slip coarse motion system</td><td>attocube</td><td>ANPx-101</td><td>x,y motion</td></tr><tr><td>stick slip coarse motion system</td><td>attocube</td><td>ANPz-101</td><td>z motion</td></tr><tr><td>stick slip coarse motion system controller</td><td>Attocube</td><td>ANC 300</td><td></td></tr><tr><td>high voltage amplifier</td><td>Attocube</td><td>ANC 250</td><td></td></tr><tr><td>data acquisition card</td><td>National Instruments</td><td>NI&amp;nbsp;PCIe-6363</td><td></td></tr><tr><td>piezo elements</td><td>Piezo Systems Inc</td><td>T2C</td><td>non magnetic</td></tr><tr><td>low noise voltage preamplifier</td><td>Stanford Research Systems</td><td>SR 560</td><td></td></tr><tr><td>capacitance bridge</td><td>General Radio</td><td>1615A</td><td></td></tr><tr><td>telescope</td><td>NAVITAR</td><td>1-504516</td><td></td></tr><tr><td>camera</td><td>MOTICAM</td><td>MP2</td><td></td></tr><tr><td>dewar</td><td>Cryofab</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>insert</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>Mu-metal shield</td><td>Amuneal</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>vacuum cap</td><td>ICE oxford</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>sputtering system</td><td>AJA international Inc</td><td>N/A</td><td></td></tr><tr><td>lapping film</td><td>3M</td><td>261X</td><td>non magnetic</td></tr><tr><td>Nb target</td><td>Kurt J. Lesker</td><td>EJTNBXX351A2</td><td></td></tr><tr><td>GE Varnish</td><td>CMR-Direct</td><td>02-33-001</td><td>for cryogenic heatsinking</td></tr><tr><td>Silver paste</td><td>Structure Probe Inc</td><td>05063-AB</td><td></td></tr></tbody></table>

scanning squid study of vortex manipulation by local contact

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual vortices is necessary in order to study how vortices interact with each other, with the lattice, and with other magnetic objects. Here, we present a protocol for vortex manipulation in thin superconducting films by local contact, without applying current or magnetic field. Vortices are imaged using a scanning superconducting quantum interference device (SQUID), and vertical stress is applied to the sample by pushing the tip of a silicon chip into the sample, using a piezoelectric element. Vortices are moved by tapping the sample or sweeping it with the silicon tip. Our method allows for effective manipulation of individual vortices, without damaging the film or affecting its topography. We demonstrate how vortices were relocated to distances of up to 0.8 mm. The vortices remained stable at their new location up to five days. With this method, we can control vortices and move them to form complex configurations. This technique for vortex manipulation could also be implemented in applications such as vortex based logic devices.

تم اختبار بروتوكول لدينا بنجاح على الآلاف من الأفراد الدوامات، وفصلها بشكل جيد في عينتين من ملحوظة، وتسعة عينات من NBN. نحن توليد الدوامات الجديدة على نفس العينة عن طريق تسخين العينة فوق ح، والتبريد مرة أخرى إلى 4.2 K في وجود مجال مغناطيسي. لقد اخترنا م?...

Watch this Scientific Journal Video about Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact at JoVE.com

Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps.

مسح دراسة الحبار من التلاعب دوامة من الاتصال المحلي

Local, deterministic manipulation of individual vortices in type 2 superconductors is challenging. The ability to control the position of individual ...

scanning-squid-study-of-vortex-manipulation-by-local-contact

Universidad San Sebastian

Research

JoVE Journal

Engineering

6.8K Views.  Bar-Ilan University. We present a protocol for manipulation of individual vortices in thin superconducting films, using local mechanical contact. The method does not include applying current, magnetic field or additional fabrication steps. 

Video: Scanning SQUID Study of Vortex Manipulation by Local Contact

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus (SCUVA)

The ability to directly measure velocity fields in a fluid environment is necessary to provide empirical data for studies in fields as diverse as oceanography, ecology, biology, and fluid mechanics. Field measurements introduce practical challenges such as environmental conditions, animal availability, and the need for field-compatible measurement techniques. To avoid these challenges, scientists typically use controlled laboratory environments to study animal-fluid interactions. However, it is reasonable to question whether one can extrapolate natural behavior (i.e., that which occurs in the field) from laboratory measurements. Therefore, in situ quantitative flow measurements are needed to accurately describe animal swimming in their natural environment.
We designed a self-contained, portable device that operates independent of any connection to the surface, and can provide quantitative measurements of the flow field surrounding an animal. This apparatus, a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA), can be operated by a single scuba diver in depths up to 40 m. Due to the added complexity inherent of field conditions, additional considerations and preparation are required when compared to laboratory measurements. These considerations include, but are not limited to, operator motion, predicting position of swimming targets, available natural suspended particulate, and orientation of SCUVA relative to the flow of interest. The following protocol is intended to address these common field challenges and to maximize measurement success.

Quantitatively Measuring In situ Flows using a Self-Contained Underwater Velocimetry Apparatus SCUVA

This protocol provides instructions on how to use a self-contained underwater velocimetry apparatus (SCUVA), which is designed for quantification of in situ animal-generated flows. In addition, this protocol addresses challenges posed by field conditions, and includes operator motion, predicting position of animals, and orientation of SCUVA.

قياس الكمي في الموقع التدفقات باستخدام جهاز قائم بذاته Velocimetry تحت الماء (SCUVA)

The ability to directly measure velocity fields in a fluid environment is necessary to provide empirical data for studies in fields as diverse as ...

Bioengineering

Quantitative and Qualitative Examination of Particle-particle Interactions Using Colloidal Probe Nanoscopy

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate using the Atomic Force Microscope (AFM), can provide key insights into physical interactions present within colloidal systems. Colloidal systems are widely existent in several applications including, pharmaceuticals, foods, paints, paper, soil and minerals, detergents, printing and much more.1-3 Furthermore, colloids can exist in many states such as emulsions, foams and suspensions. Using colloidal probe nanoscopy one can obtain key information on the adhesive properties, binding energies and even gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of the colloids present within. Additionally, colloidal probe nanoscopy can be used with biological cells to aid in drug discovery and formulation development. In this paper we describe a method for conducting colloidal probe nanoscopy, discuss key factors that are important to consider during the measurement, and show that both quantitative and qualitative data that can be obtained from such measurements.

Colloidal probe nanoscopy can be used within a variety of fields to gain insight into the physical stability and coagulation kinetics of colloidal systems and aid in drug discovery and formulation sciences using biological systems. The method described within provides a quantitative and qualitative means to study such systems.

فحص الكمية والنوعية من التفاعلات الجسيمات الجسيمات الغروية عن طريق مسبار Nanoscopy

Colloidal Probe Nanoscopy (CPN), the study of the nano-scale interactive forces between a specifically prepared colloidal probe and any chosen substrate ...

Chemistry

Methods for Measuring the Orientation and Rotation Rate of 3D-printed Particles in Turbulence

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing technology is used to fabricate particles with slender arms connected at a common center. Shapes explored are crosses (two perpendicular rods), jacks (three perpendicular rods), triads (three rods in triangular planar symmetry), and tetrads (four arms in tetrahedral symmetry). Methods for producing on the order of 10,000 fluorescently dyed particles are described. Time-resolved measurements of their orientation and solid-body rotation rate are obtained from four synchronized videos of their motion in a turbulent flow between oscillating grids with R&#955; = 91. In this relatively low-Reynolds number flow, the advected particles are small enough that they approximate ellipsoidal tracer particles. We present results of time-resolved 3D trajectories of position and orientation of the particles as well as measurements of their rotation rates.

We use 3D printing to fabricate anisotropic particles in the shapes of jacks, crosses, tetrads, and triads, whose alignments and rotations in turbulent fluid flow can be measured from multiple simultaneous video images.

أساليب لقياس التوجيه ودوران معدل الجسيمات في الاضطرابات 3D-طباعة

Experimental methods are presented for measuring the rotational and translational motion of anisotropic particles in turbulent fluid flows. 3D printing ...

Hand Controlled Manipulation of Single Molecules via a Scanning Probe Microscope with a 3D Virtual Reality Interface

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building blocks in a bottom-up approach is still open. The scanning probe microscope (SPM) could be a tool of choice; however, SPM-based manipulation was until recently limited to two dimensions (2D). Binding the SPM tip to a molecule at a well-defined position opens an opportunity of controlled manipulation in 3D space. Unfortunately, 3D manipulation is largely incompatible with the typical 2D-paradigm of viewing and generating SPM data on a computer. For intuitive and efficient manipulation we therefore couple a low-temperature non-contact atomic force/scanning tunneling microscope (LT NC-AFM/STM) to a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles. This setup permits &#34;hand controlled manipulation&#34; (HCM), in which the SPM tip is moved according to the motion of the experimenter&#39;s hand, while the tip trajectories as well as the response of the SPM junction are visualized in 3D. HCM paves the way to the development of complex manipulation protocols, potentially leading to a better fundamental understanding of nanoscale interactions acting between molecules on surfaces. Here we describe the setup and the steps needed to achieve successful hand-controlled molecular manipulation within the virtual reality environment.

We demonstrate the precise manipulation of individual organic molecules on a metal surface with the tip of a scanning probe microscope driven in 3D by the experimenter's hand using a motion capture system and fully immersive virtual reality goggles.

التحكم ناحية التلاعب احدة الجزيئات عن طريق المجهر التحقيقي مع واجهة الواقع الافتراضي 3D

Considering organic molecules as the functional building blocks of future nanoscale technology, the question of how to arrange and assemble such building ...

Investigating the Three-dimensional Flow Separation Induced by a Model Vocal Fold Polyp

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. Polyps and nodules, which are geometric abnormalities that form on the medial surface of the vocal folds, can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Our laboratory has reported particle image velocimetry (PIV) measurements, within an investigation of a model polyp located on the medial surface of an in&#160;vitro driven vocal fold model, which show that such a geometric abnormality considerably disrupts the glottal jet behavior. This flow field adjustment is a likely reason for the severe degradation of the vocal quality in patients with polyps. A more complete understanding of the formation and propagation of vortical structures from a geometric protuberance, such as a vocal fold polyp, and the resulting influence on the aerodynamic loadings that drive the vocal fold dynamics, is necessary for advancing the treatment of this pathological condition. The present investigation concerns the three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted prolate hemispheroid with a 2:1 aspect ratio in cross flow, i.e. a model vocal fold polyp, using an oil-film visualization technique. Unsteady, three-dimensional flow separation and its impact of the wall pressure loading are examined using skin friction line visualization and wall pressure measurements.

Vocal fold polyps can disrupt vocal fold dynamics and thus can have devastating consequences on a patient&#39;s ability to communicate. Three-dimensional flow separation induced by a wall-mounted model polyp and its impact on the wall pressure loading are examined using particle image velocimetry, skin friction line visualization, and wall pressure measurements.

التحقيق في فصل التدفق ثلاثي الأبعاد الناجم عن نموذج بوليب أضعاف الصوتية

The fluid-structure energy exchange process for normal speech has been studied extensively, but it is not well understood for pathological conditions. ...

Visualization of Flow Field Around a Vibrating Pipeline Within an Equilibrium Scour Hole

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline. This method involves the implementation of a pipeline vibration system in a straight flume, a time-resolved particle image velocimetry (PIV) system for pipeline displacement tracking and flow fields measurements. The displacement time-series of the vibrating pipeline are obtained by using the cross-correlation algorithms. The steps for processing raw particle laden images obtained by using the time-resolved PIV are described. The detailed instantaneous flow fields around the vibrating pipeline at different vibrating phases are calculated by using a multiple-time-interval cross-correlation algorithm to avoid displacement bias error in the flow regions with a large velocity gradient. By applying the wavelet transform technique, the captured images that have the same vibrating phase are accurately cataloged before the phase-averaged velocity fields are obtained. The key advantages of the flow measurement technique described in this paper are that it has a very high temporal and spatial resolution and can be simultaneously used to obtain the pipeline dynamics, flow fields, and near-boundary flow stresses. By using this technique, more in-depth studies of the 2-dimensional flow field in a complex environment, such as that around a vibrating pipeline, can be conducted to better understand the associated sophisticated scour mechanism.

The goal of the protocol is to enable visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and normal stresses within an equilibrium scour hole induced by a vibrating pipeline.

تصور حقل التدفق حول خط أنابيب تهتز داخل ثقب التوازن

An experimental method is presented in this paper to facilitate visualization of the detailed flow fields and determination of the near-boundary shear and ...

Environment

Fabrication of Magnetic Nanostructures on Silicon Nitride Membranes for Magnetic Vortex Studies Using Transmission Microscopy Techniques

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared on transparent membranes which are very fragile and difficult to manipulate. We present processes for the fabrication of samples with magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for Lorentz transmission electron microscopy and magnetic transmission x-ray microscopy studies. The samples are prepared on silicon nitride membranes and the fabrication consists of a spin coating, UV and electron-beam lithography, the chemical development of the resist, and the evaporation of the magnetic material followed by a lift-off process forming the final magnetic structures. The samples for the Lorentz transmission electron microscopy consist of magnetic nanodiscs prepared in a single lithography step. The samples for the magnetic x-ray transmission microscopy are used for time-resolved magnetization dynamic experiments, and magnetic nanodiscs are placed on a waveguide which is used for the generation of repeatable magnetic field pulses by passing an electric current through the waveguide. The waveguide is created in an extra lithography step.

A protocol for the fabrication of magnetic micro- and nanostructures with spin configurations forming magnetic vortices suitable for transmission electron microscopy (TEM) and magnetic transmission x-ray microscopy (MTXM) studies is presented.

تصنيع النانو المغناطيسية في أغشية نيتريد السيليكون لدراسات دوامة مغناطيسية باستخدام تقنيات الفحص المجهري الإرسال

Electron and x-ray magnetic microscopies allow for high-resolution magnetic imaging down to tens of nanometers. However, the samples need to be prepared ...

Direct Force Measurements of Subcellular Mechanics in Confinement using Optical Tweezers

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue morphogenesis goes in hand with molecular and structural changes at the single cell level that result in variations of subcellular mechanical properties. As a consequence, even within the same cell, different organelles and compartments resist differently to mechanical stresses; and mechanotransduction pathways can actively regulate their mechanical properties. The ability of a cell to adapt to the microenvironment of the tissue niche thus is in part due to the ability to sense and respond to mechanical stresses. We recently proposed a new mechanosensation paradigm in which nuclear deformation and positioning enables a cell to gauge the physical 3D environment and endows the cell with a sense of proprioception to decode changes in cell shape. In this article, we describe a new method to measure the forces and material properties that shape the cell nucleus inside living cells, exemplified on adherent cells and mechanically confined cells. The measurements can be performed non-invasively with optical traps inside cells, and the forces are directly accessible through calibration-free detection of light momentum. This allows measuring the mechanics of the nucleus independently from cell surface deformations and allowing dissection of exteroceptive and interoceptive mechanotransduction pathways. Importantly, the trapping experiment can be combined with optical microscopy to investigate the cellular response and subcellular dynamics using fluorescence imaging of the cytoskeleton, calcium ions, or nuclear morphology. The presented method is straightforward to apply, compatible with commercial solutions for force measurements, and can easily be extended to investigate the mechanics of other subcellular compartments, e.g., mitochondria, stress-fibers, and endosomes.

Here, we present a protocol to investigate the intracellular mechanical properties of isolated embryonic zebrafish cells in three-dimensional confinement with direct force measurement by an optical trap.

قياسات القوة المباشرة للميكانيكا دون الخلوية في الحبس باستخدام ملاقط بصرية

During the development of a multicellular organism, a single fertilized cell divides and gives rise to multiple tissues with diverse functions. Tissue ...

Developmental Biology

Using a Microfluidics Device for Mechanical Stimulation and High Resolution Imaging of C. elegans

One central goal of mechanobiology is to understand the reciprocal effect of mechanical stress on proteins and cells. Despite its importance, the influence of mechanical stress on cellular function is still poorly understood. In part, this knowledge gap exists because few tools enable simultaneous deformation of tissue and cells, imaging of cellular activity in live animals, and efficient restriction of motility in otherwise highly mobile model organisms, such as the nematode Caenorhabditis elegans. The small size of C. elegans makes them an excellent match to microfluidics-based research devices, and solutions for immobilization have been presented using microfluidic devices. Although these devices allow for high-resolution imaging, the animal is fully encased in polydimethylsiloxane (PDMS) and glass, limiting physical access for delivery of mechanical force or electrophysiological recordings. Recently, we created a device that integrates pneumatic actuators with a trapping design that is compatible with high-resolution fluorescence microscopy. The actuation channel is separated from the worm-trapping channel by a thin PDMS diaphragm. This diaphragm is deflected into the side of a worm by applying pressure from an external source. The device can target individual mechanosensitive neurons. The activation of these neurons is imaged at high-resolution with genetically-encoded calcium indicators. This article presents the general method using C. elegans strains expressing calcium-sensitive activity indicator (GCaMP6s) in their touch receptor neurons (TRNs). The method, however, is not limited to TRNs nor to calcium sensors as a probe, but can be expanded to other mechanically-sensitive cells or sensors.

Using a Microfluidics Device for Mechanical Stimulation and High Resolution Imaging of C. elegans

New tools for mechanobiology research are needed to understand how mechanical stress activates biochemical pathways and elicits biological responses. Here, we showcase a new method for selective mechanical stimulation of immobilized animals with a microfluidic trap allowing high-resolution imaging of cellular responses.

استخدام جهاز ميكروفلويديكس لتحفيز الميكانيكية وتصوير قرار عالية من C. ايليجانس

One central goal of mechanobiology is to understand the reciprocal effect of mechanical stress on proteins and cells. Despite its importance, the ...

Neuroscience

Visualizing Membrane Ruffle Formation using Scanning Electron Microscopy

Membrane ruffling is the formation of motile plasma membrane protrusions containing a meshwork of newly polymerized actin filaments. Membrane ruffles may form spontaneously or in response to growth factors, inflammatory cytokines, and phorbol esters. Some of the membrane protrusions may reorganize into circular membrane ruffles that fuse at their distal margins and form cups that close and separate into the cytoplasm as large, heterogeneous vacuoles called macropinosomes. During the process, ruffles trap extracellular fluid and solutes that internalize within macropinosomes. High-resolution scanning electron microscopy (SEM) is a commonly used imaging technique to visualize and quantify membrane ruffle formation, circular protrusions, and closed macropinocytic cups on the cell surface. The following protocol describes the cell culture conditions, stimulation of the membrane ruffle formation in vitro, and how to fix, dehydrate, and prepare cells for imaging using SEM. Quantification of membrane ruffling, data normalization, and stimulators and inhibitors of membrane ruffle formation are also described. This method can help answer key questions about the role of macropinocytosis in physiological and pathological processes, investigate new targets that regulate membrane ruffle formation, and identify yet uncharacterized physiological stimulators as well as novel pharmacological inhibitors of macropinocytosis.

Macropinocytosis is a highly conserved endocytic process initiated by the formation of F-actin-rich sheet-like membrane projections, also known as membrane ruffles. Increased rate of macropinocytotic solute internalization has been implicated in various pathological conditions. This protocol presents a method to quantify membrane ruffle formation in vitro using scanning electron microscopy.

تصور تشكيل غشاء الكشكشة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح

Membrane ruffling is the formation of motile plasma membrane protrusions containing a meshwork of newly polymerized actin filaments. Membrane ruffles may ...