Enabling cryogenic technologies for superconducting quantum devices
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2026-01-23
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
123 + app. 70
Series
Aalto University publication series Doctoral Theses, 254/2025
Abstract
Low-temperature refrigerators cool systems down to cryogenic temperatures near absolute zero, where thermal noise and decoherence are suppressed. This allows quantum phases, such as superconductivity, to emerge in certain materials and enables the harnessing of individual quantum states for scientific and high-performance applications. However, the refrigerators used for these purposes are large and rely on cryoliquids, such as scarce and expensive 3He, which can be a limiting factor depending on the technological application. To enable more scalable, costeffective cryogenic platforms, new refrigeration technologies must be developed. To this end, chip-scale coolers based on superconducting tunnel junctions have been envisioned to provide a fully solid-state alternative. Proof-of-principle operation of these coolers has been demonstrated at temperatures below 1.5 K, but to link them with commercially available 4He pulse tube cryocoolers, stage operating above 2.0 K is required. Additionally, thermally isolating and electrically conducting methods are needed to cascade coolers operating at different temperature ranges. In this thesis, the fundamental components of a multi-stage chip-scale cooler operating at temperatures compatible with 4He pulse tube cryocoolers are developed. A superconducting flipchip assembly fabricated with In-bumps was characterized in the sub-kelvin temperature range, and the inter-chip thermal resistance was found to be suitable for chip-scale cooling applications. A through-chip signal routing method utilizing ALD TiN-based TSVs was developed, and the demonstrated critical temperature of 2.0 K enables dissipationless DC transport for multi-chip assemblies, such as cascaded coolers. Additionally, ALD MoCx was shown to exhibit a superconducting transition temperature up to 4.4 K and high conformality, showing promise as a TSV-compatible material. The key achievement of electronic cooling of Al thin film from a bath temperature of 2.4 K down to 1.6 K was demonstrated using Nb-based superconducting tunnel junctions, probed by an onchip junction thermometer. Thermal model calculations highlighted the emergence of superconductivity in the Al beneath the cooler junctions, persisting up to a bath temperature of 2.4 K: one kelvin higher than the nominal critical temperature of the Al thin film. The single-stage cooler operating above 2.0 K enables solid-state on-chip cooling from 4He pulse-tube compatible temperature without the use of magnetic fields. Additionally, Al- and V-based tunnel junctions were fabricated at the wafer scale using degenerately doped Si as the normal electrode. The junctions exhibited suitable low-temperature electrical characteristics for cooling applications. From superconducting interconnects to tunnel-junction components supporting high cooling power density above 1 K, the achievements presented in this thesis enable modular design of chip-scale cascade coolers. This technology is envisioned to support the scaling of several superconducting quantum devices from proof-of-principle to multi-component systems beyond experimental lab environments.Matalien lämpötilojen jäähdyttimet mahdollistavat lämpötilan laskemisen lähelle absoluuttista nollapistettä, jolloin tarkastelun alla olevan systeemin lämpökohina sekä dekoherenssi vaimenevat. Tämä mahdollistaa eri kvanttiolomuotojen, kuten suprajohtavuuden, ilmentymisen tietyissä materiaaleissa sekä yksittäisten kvanttitilojen käytön tieteellisissä ja korkean suorituskyvyn sovelluksissa. Nykyään käytetyt jäähdyttimet ovat kuitenkin isoja ja riippuvaisia kryonesteistä, kuten niukasta ja kalliista 3He:sta, mikä voi rajoittaa uusien teknologioiden kehitystä. Siksi skaalautuvien ja kustannustehokkaiden kryogeenisten alustojen kehittäminen tulee olla uusien jäähdytysteknologioiden keskiössä. Yhdeksi täysin kiinteän olomuodon vaihtoehdoksi on esitetty suprajohtaviin tunneliliitoksiin perustuvia sirutason jäähdyttimiä. Näiden jäähdyttimien toiminta on todistettu alle 1,5 K lämpötiloissa, mutta niiden yhteensovittaminen kaupallisten 4He pulssituubijäähdyttimien kanssa edellyttää yli 2,0 K toimintalämpötilaa. Eri lämpötiloissa toimivien jäähdytinasteiden yhdistäminen toisiinsa vaatii myös lämpöä eristävien ja sähköä johtavien menetelmien kehittämistä. Tässä väitöskirjassa kehitetään rakenneosia moniasteiseen sirutason jäähdyttimeen, joka on yhteensopiva 4He pulssituubijäähdyttimien kanssa. In-nystyjen avulla valmistettu suprajohtava flipchip-laite karakterisoitiin alle kelvinin lämpötila-alueella, jossa sirujen välinen lämpövastus todettiin soveltuvaksi sirutason jäähdytinsovelluksiin. Lisäksi väitöskirjassa kehitettiin ALD-TiN-pohjainen piisirun läpivienti, jonka kriittiseksi lämpötilaksi osoitettiin 2,0 K. Tämä mahdollistaa häviöttömän tasavirran kuljetuksen monisirukokoonpanoissa, kuten kaskadijäähdyttimissä. ALD-menetelmällä valmistetut MoCx-ohutkalvot osoittivat puolestaan jopa 4,4 K:n suprajohtavan transitiolämpötilan ja korkean konformaalisuuden, mikä tekee siitä lupaavan materiaalin läpivientisovelluksiin. Väitöskirjan keskeinen saavutus on alumiiniohutkalvon elektroninen jäähdytys 2,4 K:n kylpylämpötilasta 1,6 K:iin Nb-pohjaisten suprajohtavien tunneliliitosten avulla. Jäähdytystulos mitattiin sirulle integroidulla lämpömittarilla. Lisäksi lämpömallinnus osoittaa, että jäähdytinliitosten alla oleva Al muuttuu suprajohtavaksi aina 2,4 K:n kylpylämpötilaan saakka – yhden kelvinin korkeammalla verrattuna Al-ohutkalvon kriittiseen lämpötilaan. Yli 2,0 K:ssä toimiva jäähdytin mahdollistaa sirutason jäähdytyksen 4He pulssituubijäähdyttimen kanssa yhteensopivista lämpötiloista ilman magneettikenttien käyttöä. Lisäksi väitöskirjassa valmistettiin kiekkotasolla Alja V-pohjaisia tunneliliitoksia käyttäen seostettua piitä normaalimetallina. Liitosten sähköiset ominaisuudet osoittautuivat soveltuviksi jäähdytinsovelluksiin. Tässä väitöskirjassa esitetyt saavutukset suprajohtavista liitännöistä korkean jäähdytystehon tunneliliitoskomponentteihin mahdollistavat sirutason kaskadijäähdyttimien modulaarisen suunnittelun. Tämän teknologian voidaan odottaa tukevan useiden suprajohtavien kvanttilaitteiden skaalautumista toimintaperiaatteellisista osoituksista tutkimuslaboratorioiden ulkopuolelle käytännön sovelluksiin.Description
Supervising professor
Pekola, Jukka, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, FinlandThesis advisor
Ronzani, Alberto, Dr., VTT Technical Research Centre of Finland Ltd, FinlandLehtinen, Janne, Dr., Semiqon, Finland
Other note
Parts
-
[Publication 1]: J. Hätinen, E. Mykkanen, K. Viisanen, A. Ronzani, A. Kemppinen, L. Lehtisyrja, J.S. Lehtinen and M. Prunnila. Thermal resistance in superconducting flip-chip assemblies. Applied Physics Letters, 123, 152202, October 2023.
DOI: 10.1063/5.0162409 View at publisher
-
[Publication 2]: J. Hätinen, A. Ronzani, R.P. Loreto, E. Mykkanen, A. Kemppinen, K. Viisanen, T. Rantanen, J. Geisor, J.S. Lehtinen, M. Ribeiro, J-P. Kaikkonen, O. Prakash, V. Vesterinen, C. Forbom, E.T. Mannila, M. Kervinen, J. Govenius and M. Prunnila. Efficient electronic cooling by niobiumbased superconducting tunnel junctions. Physical Review Applied, 22, 064048, December 2024.
DOI: 10.1103/PhysRevApplied.22.064048 View at publisher
-
[Publication 3]: A. Kemppinen, A. Ronzani, E. Mykkanen, J. Hätinen, J.S. Lehtinen and M. Prunnila. Cascaded superconducting junction refrigerators: Optimization and performance limits. Applied Physics Letters, 119, 052603, August 2021.
DOI: 10.1063/5.0060652 View at publisher
-
[Publication 4]: K. Grigoras, N. Yurttagul, J-P. Kaikkonen, E. T. Mannila, P. Eskelinen, D. P. Lozano, H.-X. Li, M. Rommel, D. Shiri, N. Tiencken, S. Simbierowicz, A. Ronzani, J. Hätinen, D. Datta, V. Vesterinen, L. Gronberg, J. Biznarova, A. Fadavi Roudsari, S. Kosen, A. Osman, M. Prunnila, J. Hassel, J. Bylander and J. Govenius. Qubit-compatible substrates with superconducting through-silicon vias. IEEE Transactions on Quantum Engineering, 3, 5100310, September 2022.
DOI: 10.1109/TQE.2022.3209881 View at publisher
-
[Publication 5]: P.R. Karkkainen, G. Popov, T. Hatanpaa, A. Kemppinen, K. Kohopaa, M. Bagheri, H-P. Komsa, M. Heikkila, K. Mizohata, M. Chundak, P. Deminskyi, A. Vihervaara, M. Ribeiro, J. Hätinen, J. Govenius, M. Putkonen, and M. Ritala. Atomic Layer Deposition of Molybdenum Carbide Thin Films. Advanced Materials Interfaces, 11, 2400270, September 2024.
DOI: 10.1002/admi.202400270 View at publisher