Universität zu Köln

Blauth, Florian (2019). Design and measurement of superconducting microwave kinetic inductance detectors. PhD thesis, Universität zu Köln.

Preview

PDF Dissertation_Blauth_Endversion.pdf - Published Version Download (44MB) | Preview

Abstract

Microwave kinetic inductance detectors (MKID) are superconducting broadband direct detectors. If a superconducting thin film patterned into a resonator is illuminated with photons, Cooper pairs break up and the kinetic inductance of the film changes. This shifts the resonance frequency downwards and the dissipation of the resonator increases, which can be detected in the phase and amplitude of a transmitted signal. In this thesis, a waveguide coupled MKID is designed and simulated. 350 GHz radiation is coupled into a copper waveguide via a horn antenna. A waveguide probe leads the signal onto a 9 µm silicon membrane where it is absorbed in a 40 nm superconducting aluminum film which is the inductive part of a superconducting resonator. The capacitor of the resonator is made of niobium. Two versions of the device are developed, a transmission line resonator and a lumped element resonator design. The new design will enable an accurate understanding of the optical sensitivity of MKIDs and allow comparison of different resonator materials. Since two different resonator types are used, the direct comparison of transmission line and lumped resonators will also be possible. A measurement setup is developed including an ADR cryostat to cool MKID devices down to below 40 mK. An analog readout system using either a vector network analyzer or an IQ mixer is designed and built. The necessary software to control the ADR, the temperature monitoring, the readout signal generation and detection and the signal acquisition of the setup is also developed. The waveguide coupled MKID design is fabricated in our in-house microfabrication laboratory and measured in the new setup. In my measurements, the devices do not show a resonance feature. The VNA and DC measurements are analyzed to determine a plausible hypothesis of the failure. The devices are diagnosed for critical issues during fabrication which will be addressed in a future iteration. To verify the measurement setup, a test device of the IRAM NIKA 2 MKID camera is measured and the complete analysis pipeline is exercised. The quasi-particle lifetime in the aluminum thin films is measured and a dark and optical noise equivalent power are determined. The results are within the uncertainty comparable to measurements of IRAM themselves. A test chip designed in my master thesis that contains eight NbTiN resonators is measured in the new setup and non-linear effects under strong readout power are studied. Parametric amplification and oscillation of a resonator are shown qualitatively.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Entwicklung und Messung von supraleitenden Microwave Kinetic Inductance Detektoren German
Translated abstract:	Abstract Language Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKID) sind breitbandige, supraleitende Leistungsdetektoren. Diese bestehen aus einem supraleitenden Dünnfilm in Form eines Resonators. Beleuchtet man diesen mit Photonen, ändert sich dessen kinetische Induktivität. Dadurch verringert sich die Resonanzfrequenz und die Verluste im Resonator steigen an, was in einer Änderung der transmittierten Amplitude und Phase gemessen werden kann. Diese Arbeit beschreibt die Entwicklung eines MKID, welches an einen Hohlleiter gekoppelt ist. Strahlung im Frequenzbereich um 350 GHz wird mit einer Hornantenne in den Hohlleiter gekoppelt. Eine Antenne im Hohlleiter leitet das Signal auf eine 9 µm dicke Siliziummembran, wo es in einer 40 nm dicken, supraleitenden Aluminiumleitung absorbiert wird. Die Aluminiumleitung ist die Induktivität eines supraleitenden Resonators. Der Kondensator des Resonators besteht aus Niob. Zwei Varianten des hohlleitergekoppelten MKID werden vorgestellt. Die erste Variante verwendet einen Resonator bestehend aus einem planaren Wellenleiter und die zweite Variante einen Resonator, welcher aus diskreten Elementen aufgebaut ist. Mit diesem neuen MKID soll die Empfindlichkeit unter optischer Bestrahlung genauer untersucht werden. Zudem soll es die Erforschung von alternativen Materialien für den Absorber der MKID ermöglichen. Zusätzlich können mit den Varianten des Designs die beiden Resonatorttypen direkt miteinander verglichen werden. Ein neuer Messaufbau mit einem ADR Kryostaten ermöglicht es, MKID auf eine Temperatur unter 100 mK herunter zu kühlen. Eine analoge Ausleseelektronik, die entweder einen Netzwerkanalysator oder einen IQ Mischer zur Messung verwendet, wurde entwickelt und aufgebaut. Dazu wurde die nötige Software programmiert, die das Temperaturmanagement, die Fernsteuerung des Messequipments und die eigentliche Datenaufnahme übernimmt. Die hohlleitergekoppelten MKID wurden in unserem Mikrostrukturlabor gefertigt und in dem neuen Messaufbau gemessen. Die Transmissionsmessung mit dem Netzwerkanalysator zeigt jedoch keine Resonanzfrequenz. Die Messungen der Teststrukturen und die Messungen mit dem Netzwerkanalysator wurden analysiert um eine plausible Diagnose für die Fehlfunktion zu erstellen. Die Ursache liegt in einem Kontaktproblem, welches nur mit einem veränderten Fabrikationsprozess verhindert werden kann. Um den neuen Messaufbau zu testen wurde ein MKID Testdetektor, welcher für die NIKA~2 Kamera von IRAM hergestellt wurde, gemessen. Mit diesem Detektor wurden alle Messprozeduren und Analysewerkzeuge getestet und verbessert. Die Quasipartikel-Lebensdauer der Aluminiumfilme konnte gemessen werden und das NEP (äquivalente Rauschleistung) konnte unter minimaler optischer Bestrahlung und mit realistischer Bestrahlung gemessen werden. Die Messergebnisse sind vergleichbar mit publizierten Werten von Messungen am IRAM. Ein Testdetektor mit 8 Resonatoren, welcher in meiner Masterarbeit entwickelt wurde, wurde noch einmal in dem neuen Messaufbau gemessen. Nichtlineare Effekte, welche bei starkem Auslesesignal, auftreten wurden beobachtet. Es konnten parametrische Verstärkung und parametrische Oszillation nachgewiesen werden. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Blauth, Florian florian.blauth@posteo.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-101093
Date:	October 2019
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics I
Subjects:	Physics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language Microwave Kinetic Inductance Detector; MKID; Terahertz Detector; Cryogenic; Superconductivity; superconducting resonator English
Date of oral exam:	18 January 2019
Referee:	Name Academic Title Stutzki, Jürgen Prof. Dr. Hemberger, Joachim Prof. Dr.
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/10109