Optimization of materials for Josephson parametric amplifiers
| dc.contributor | Aalto-yliopisto | fi |
| dc.contributor | Aalto University | en |
| dc.contributor.advisor | Vesterinen, Visa | |
| dc.contributor.author | Simbierowicz, Slawomir | |
| dc.contributor.school | Perustieteiden korkeakoulu | fi |
| dc.contributor.supervisor | Hakonen, Pertti | |
| dc.date.accessioned | 2016-12-22T11:22:15Z | |
| dc.date.available | 2016-12-22T11:22:15Z | |
| dc.date.issued | 2016-12-13 | |
| dc.description.abstract | Dark-matter particle detection and readout of quantum bits in quantum information systems call for low-noise radio-frequency amplifiers. Superconductive amplifiers such as Josephson parametric amplifiers can be used. We have built and plan to improve JPAs with a different application in mind. The aim is integration to measurement setups in nanocalorimetry and -bolometry in order to detect single microwave quanta. Such an achievement can have considerable impact in the research of small systems. Oxides act as insulators in multi-layer structures used to add capacitance in JPAs. For this reason, we characterize the loss properties of transmission line resonators covered with oxides using a cryogenic setup. Aluminium oxide is considered as a potential replacement for silicon oxide that has been believed to be the source of excess noise and the cause of low quality factors in past JPAs constructed at VTT. Notably, we prove that two-level systems play a significant part in losses in silicon oxide as well as aluminium oxide and, therefore, gain an understanding of the problems encountered previously. We determine a loss tangent of delta0 = 6-7e-3 for silicon oxide and find that resonators without added oxide exceed a high internal quality factor of 2e5 at low power. We abandon our previous Josephson junction process in favor of the cross-layer patterning (CLIP) process for improved SQUID performance, reduced flux trapping, and easier fabrication. Single junctions are measured in a four-point setup and the target of 100 A/cm2 for the critical current density is mostly reached although suppressed critical currents are observed for junctions with an in-plane cross-section smaller than 1 mum x 1 mum. We then build new JPAs and measure the current-voltage characteristics of the embedded SQUID chain. No hysteresis is observed during tuning of the resonance frequency with a magnetic field. | en |
| dc.description.abstract | Pimeän aineen hiukkasten havaitseminen ja kvanttibittien lukeminen kvantti-informaatiosysteemeissä vaativat matalakohinaista radiotaajuudella toimivaa vahvistinta. Suprajohtavat vahvistimet kuten Josephsonin parametriset vahvistimet (JPA) ovat näissä käyttökelpoisia. VTT:llä tehdään JPA:ita hieman toista käyttötarkoitusta varten: aiemmin niitä on jo rakennettu ja nyt niitä parannellaan aikomuksena integroida vahvistimet nanokalorimetrisiin ja -bolometrisiin mittauksiin yksittäisten fotonien havaitsemiseksi. Tällaisen onnistuessa pieniä systeemejä voitaisiin tutkia paremmin. Oksidikerroksia käytetään JPA:issa monikerrosrakenteissa kapasitanssin synnyttämiseksi, mistä syystä karakterisoimmekin oksideilla päällystettyjen transmissiolinja-tyyppisten resonaattoreiden häviöominaisuuksia kryogenisellä mittausjärjestelyllä. Harkitsemme alumiinioksidin käyttämistä JPA:issa havaittuun ylimääräiseen kohinaan ja mataliin hyvyyslukuihin. Erityisesti osoitamme kaksitasosysteemien aiheuttavan häviöitä sekä piidioksidissa että alumiinioksidissa, ja siten ymmärrämme aiemmat ongelmamme paremmin. Määritämme piidioksidin häviötangentiksi delta0 = 6-7e-3 ja saamme oksidilla päällystämättömille resonaattoreille matalan tehon hyvyysluvuksi jopa yli 2e5. Vaihdamme aiemman Josephsonin liitoksen valmistusprosessimme toiseen (CLIP) paremman SQUID-suorituskyvyn saavuttamiseksi, ehkäistäksemme vuon vangitsemista sekä valmistuksen yksinkertaistamiseksi. Mittaamme yksittäisiä liitoksia nelipistemittauksella, ja saavutamme tavoitteemme 100 A/cm2 kriittisen virran tiheydeksi useimmilla joskaan emme aivan kaikkein pienimmillä pinta-alaltaan alle 1 mum x 1 mum liitoskoilla. Lopuksi rakennamme uusia JPA:ita ja määritämme niiden SQUID-ketjujen virta-jänniteominaisuuksia. Hystereesiä ei havaita säädettäessä resonanssitaajuutta magneettikentällä. | fi |
| dc.format.extent | 46+3 | |
| dc.identifier.uri | https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/23997 | |
| dc.identifier.urn | URN:NBN:fi:aalto-201612226290 | |
| dc.language.iso | en | en |
| dc.programme | Master’s Programme in Engineering Physics | fi |
| dc.programme.major | Engineering Physics | fi |
| dc.programme.mcode | SCI3056 | fi |
| dc.rights.accesslevel | closedAccess | |
| dc.subject.keyword | radio-frequency | en |
| dc.subject.keyword | superconducting | en |
| dc.subject.keyword | Josephson parametric amplifier | en |
| dc.subject.keyword | Josephson junction | en |
| dc.subject.keyword | SQUID | en |
| dc.subject.keyword | two-level systems | en |
| dc.title | Optimization of materials for Josephson parametric amplifiers | en |
| dc.title | Josephson-parametrivahvistimien materiaalien optimointia | fi |
| dc.type | G2 Pro gradu, diplomityö | fi |
| dc.type.okm | G2 Pro gradu, diplomityö | |
| dc.type.ontasot | Master's thesis | en |
| dc.type.ontasot | Diplomityö | fi |
| dc.type.publication | masterThesis | |
| local.aalto.idinssi | 55328 | |
| local.aalto.openaccess | no |
