Real-time detection of microwave pulses with a superconducting proximity bolometer
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2021-01-26
Department
Major/Subject
Engineering Physics
Mcode
SCI3056
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
41 + 6
Series
Abstract
Sensitive and reliable photon detectors are ubiquitous tools in countless fields of engineering and the sciences. One of the most mature and widely applied approaches to photodetection is bolometry, where the absorption of radiation causes a measurable change in the temperature of the absorber material. Applications of bolometry include fields such as astrophysics, medicine, particle physics, and metrology, all of which greatly benefit from the development of more versatile and efficient detectors. In the field of superconducting quantum circuits, considerable progress has recently been made in developing ultrasensitive superconducting bolometers. Operating in the single-photon regime, these devices hold great potential for several applications within quantum technology, including qubit state measurement and characterization of microwave components and cryogenic environments. State-of-the-art bolometers based on graphene have been shown to reach sufficient energy resolution and operation speed to be applicable in the context of circuit quantum electrodynamics. In this thesis, a superconducting bolometer based on superconductor-normal-metal-superconductor Josephson junctions is studied. In particular, a detection protocol based on optimal filtering of the noisy detector output signal is implemented to detect microwave pulses during continuous operation of the device. The fidelity of the implemented real-time detection scheme is experimentally tested and compared to the theoretical energy resolution of the studied bolometer, computed from noise equivalent power. The device is found to reach 50% detection probability with minimal dark-count rate at pulse energies of approximately 2.2 zJ, exceeding the predicted resolution of 0.75 zJ by only a factor of three. In addition, the characteristic energy of the detector is determined to be approximately 1.5 zJ based on the total energy of pulses detected with fidelity F=0.5. The results give hope of future applications of the detection scheme to more sensitive bolometer samples.Herkät ja luotettavat fotoni-ilmaisimet ovat korvaamattomia työkaluja lukemattomilla tieteen ja tekniikan aloilla. Vanhimpiin ja sovelletuimpiin ilmaisintekniikoihin lukeutuu bolometria, jossa ilmaisimen toiminta perustuu absorboituneen säteilyn aiheuttaman lämpötilan nousun mittaamiseen. Bolometrian sovelluskohteita löytyy esimerkiksi hiukkas- ja avaruusfysiikasta, lääketieteestä sekä metrologiasta. Näiden ja monien muiden alojen kehitystä voidaan osaltaan siivittää kehittämällä ilmaisimista monipuolisempia, tarkempia ja nopeampia. Eräs suprajohtavien kvanttisähköpiirien tutkimusalan merkittäviä viimeaikaisia edistysaskeleita on ollut ultraherkkien suprajohtavien bolometrien parissa tehty kehitystyö. Yksittäisten fotonien energialuokassa toimivia ilmaisimia voitaisiin käyttää moniin kvanttiteknologian sovelluskohteisiin, kuten kubittien tilojen mittaamiseen tai mikroaaltokomponenttien ja kryogeenisten ympäristöjen karakterisointiin. Grafeenibolometrien on juuri osoitettu saavuttavan energiaresoluutio ja vasteaika, joiden tulisi vastata kvanttisähköpiirisovellusten vaatimuksiin. Tässä diplomityössä tutkitaan suprajohde-normaalimetalli-suprajohde-liitokseen perustuvaa heikosti suprajohtavaa bolometria. Optimaaliseen kohinanpoistoon perustuvaa menetelmää sovelletaan ilmaisimen ulostulosignaaliin, josta pyritään havaitsemaan reaaliaikaisesti ilmaisimeen saapuvia mikroaaltopulsseja laitteen keskeytymättömän toiminnan aikana. Kehitetyn ilmaisinmenetelmän täsmällisyyttä tutkitaan kokeellisesti ja verrataan bolometrinäytteen kohinaa vastaavasta tehosta laskettuun teoreettiseen energiaresoluutioon. Ilmaisimella saadaan havaittua 50% saapuvista noin 2.2 zJ:n energiapulsseista pimeäliipaisutahdin ollessa alhainen. Arvo poikkeaa laskennallisesta 0.75 zJ:n energiaresoluutiosta vain noin kertoimella kolme. Täsmällisyydellä F=0.5 havaittavan pulssin kokonaisenergiaan perustuen ilmaisimen karakteristiseksi energiaksi määritetään noin 1.5 zJ. Kehitettyä ilmaisinprotokollaa voidaan näiden lupaavien tulosten valossa mahdollisesti soveltaa myös herkempiin bolometrinäytteisiin paremman energiaresoluution saavuttamiseksi.Description
Supervisor
Möttönen, MikkoThesis advisor
Kokkoniemi, RoopeGirard, Jean-Philippe
Keywords
bolometer, Josephson junction, superconductivity, photon detector