Das Magnetische Mikrobolometer (MMB), ein neuartiger Tieftemperaturdetektor, stellt dank seiner hohen Empfindlichkeit eine vielversprechende Technologie für eine breite Palette von fortschrittlichen Experimenten dar, die Anordnungen kryogener Detektoren verwenden. Aufgrund seines hohen Multiplexfaktors und seiner hohen Sensitivität, die durch die Verwendung von Radiofrequenz-Superconducting Quantum Interference Devices (rf-SQUID) erreicht wird, ist der Mikrowellen-SQUID-Multiplexer (μMUX) das ausgewählte System für die Auslese der MMBs . Gleichzeitig erfordert der μMUX eine Elektronik bei Umgebungstemperatur (RTE), die auf einem Software-defined Radio (SDR)-Schema beruht, was die gleichzeitige Messung des gesamten Detektorarrays ermöglicht und hohe Vielseitigkeit und Flexibilität bietet. Diese Dissertation trägt zur Entwicklung des RTE-Systems zur Auslesung von MMB-Arrays bei und stellt das Design eines Erfassungssystems für 1024 Kanäle eines μMUX mit einer Bandbreite von 4 GHz bis 8 GHz vor. Obwohl die Anforderungen des Systems auf dem Q&U-Bolometer-Interferometer für die Kosmologie (QUBIC) beruhen, dessen wissenschaftliches Ziel die Detektion der Polarisation der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) ist, ermöglicht die Flexibilität des Systems seine Anpassung an andere Experimente. Diese Anpassungsfähigkeit macht das System zu einem wertvollen Werkzeug für eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente, die rauscharme Detektorarrays verwenden. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, die Modulationssignal-Generierung der Detektoren zu entwerfen und umzusetzen, das Design der Signalstruktur, einschließlich des Niedrigtemperatur-Setups, sowie die erforderlichen Signalverarbeitungsalgorithmen. Darüber hinaus wird die Charakterisierung und Verifizierung dieses Designs für die Anwendung auf MMBs durchgeführt. Als Teil der Systemintegration wird ein Mehrkanal-Demodulator implementiert, um die Signale jedes Detektors zu extrahieren. Der Demodulator wird vollständig in das Erfassungs- und Verarbeitungssystem integriert. Schließlich wird ein vollständiger Prototyp assemblierte, der die RTE und das kryogene Setup umfasst, um 4 Kanäle eines μMUX zu messen. Das Ergebnis dieser Dissertation ist die erste Version eines vollständig integrierten und funktionalen Systems zur Auslesung eines MMB-Arrays.
Das Magnetische Mikrobolometer (MMB), ein neuartiger Tieftemperaturdetektor, stellt dank seiner hohen Empfindlichkeit eine vielversprechende Technologie für eine breite Palette von fortschrittlichen Experimenten dar, die Anordnungen kryogener Detektoren verwenden. Aufgrund seines hohen Multiplexfaktors und seiner hohen Sensitivität, die durch die Verwendung von Radiofrequenz-Superconducting Quantum Interference Devices (rf-SQUID) erreicht wird, ist der Mikrowellen-SQUID-Multiplexer (μMUX) das ausgewählte System für die Auslese der MMBs . Gleichzeitig erfordert der μMUX eine Elektronik bei Umgebungstemperatur (RTE), die auf einem Software-defined Radio (SDR)-Schema beruht, was die gleichzeitige Messung des gesamten Detektorarrays ermöglicht und hohe Vielseitigkeit und Flexibilität bietet. Diese Dissertation trägt zur Entwicklung des RTE-Systems zur Auslesung von MMB-Arrays bei und stellt das Design eines Erfassungssystems für 1024 Kanäle eines μMUX mit einer Bandbreite von 4 GHz bis 8 GHz vor. Obwohl die Anforderungen des Systems auf dem Q&U-Bolometer-Interferometer für die Kosmologie (QUBIC) beruhen, dessen wissenschaftliches Ziel die Detektion der Polarisation der Kosmischen Mikrowellen-Hintergrundstrahlung (CMB) ist, ermöglicht die Flexibilität des Systems seine Anpassung an andere Experimente. Diese Anpassungsfähigkeit macht das System zu einem wertvollen Werkzeug für eine Vielzahl wissenschaftlicher Instrumente, die rauscharme Detektorarrays verwenden. Das Hauptziel dieser Forschung ist es, die Modulationssignal-Generierung der Detektoren zu entwerfen und umzusetzen, das Design der Signalstruktur, einschließlich des Niedrigtemperatur-Setups, sowie die erforderlichen Signalverarbeitungsalgorithmen. Darüber hinaus wird die Charakterisierung und Verifizierung dieses Designs für die Anwendung auf MMBs durchgeführt. Als Teil der Systemintegration wird ein Mehrkanal-Demodulator implementiert, um die Signale jedes Detektors zu extrahieren. Der Demodulator wird vollständig in das Erfassungs- und Verarbeitungssystem integriert. Schließlich wird ein vollständiger Prototyp assemblierte, der die RTE und das kryogene Setup umfasst, um 4 Kanäle eines μMUX zu messen. Das Ergebnis dieser Dissertation ist die erste Version eines vollständig integrierten und funktionalen Systems zur Auslesung eines MMB-Arrays.
Development, modeling, deployment, and Ku band operation of microwave SQUID multiplexers for microcalorimeter readout
Supraleitende Mikrokalorimeter sind kryogene Teilchendetektoren, die eine hervorragende Energieauflösung und nahezu 100% Quanteneffizienz bieten. Fortschritte in der Fertigung ermöglichen große Detektorarrays, wodurch geeignete Multiplex-Auslesetechniken erforderlich werden. Mikrowellen-SQUID-Multiplexing (µMUXing) stellt den aktuellen Stand der Technik dar, aber sein Rauschverhalten schränkt die Anwendungsmöglichkeiten oft ein, sodass es von größter Bedeutung ist, die bestehenden Einschränkungen zu verstehen und zu mindern. In diesem Zusammenhang zeigen wir, wie Mikrowellenverluste in der µMUX-Gleichstromschaltung den intrinsischen Qualitätsfaktor und damit das Rauschverhalten des µMUX verschlechtern, und liefern eine quantitative Beschreibung, wie sich unterschiedliche Gleichstromlasten auf die Eigenschaften des µMUX auswirken. Darüber hinaus haben wir das erste vollwertige µMUX-System für magnetische Mikrokalorimeter eingesetzt, dessen volle Funktionsfähigkeit mit einem mittleren Rauschpegel von 1,4µΦ0/Hz nachgewiesen wurde, was einer Verbesserung um 44% gegenüber früheren Systemen entspricht. Um zukünftige µMUX-Designs weiter zu optimieren, haben wir ein numerisches Modell entwickelt, das die Eigenschaften und die Leistung von µMUX für den gesamten Parameterbereich von nicht-hysteresen rf-SQUIDs beschreibt und beliebige Strom-Phasen-Relationen der Josephson-Kontakte akzeptiert. Dies ermöglicht es uns, die Auswirkungen von Inhomogenitäten der Tunnelbarriere zu quantifizieren. Diese ähneln denen eines erhöhten Abschirmungsparameters, unterscheiden sich jedoch und sind daher für eine genaue µMUX-Charakterisierung entscheidend. Schließlich demonstrieren wir einen neuartigen Ansatz für den Betrieb eines µMUX im Ku-Band, der ein geringeres Rauschen, höhere Zeitauflösung, größere Multiplexfaktoren und kleinere Geräteabmessungen ermöglicht. Diese Geräte sind realisierbar, stimmen gut mit unseren Modellen überein und erreichen Abmessungen, die kleiner sind als typische Mikrokalorimeterabsorber. Darüber hinaus weisen sie ein Open-Loop-Ausleserauschen von nur 0,27µΦ0/Hz auf, was mit Werten vergleichbar ist, die sonst nur mit kinetisch-induktiven Wanderwellen-Verstärkern in der kryogenen Auslesekette erreicht werden.
In der vorliegenden Arbeit wird die Entwicklung eines Mikrowellen-SQUID-Multiplexers zur Auslesung metallischer magnetischer Kalorimeter beschrieben. Ein Mikrowellen-SQUID-Multiplexer besteht aus nicht-hysteretischen rf-SQUIDs, die induktiv an supraleitende Resonanzkreise mit eindeutiger Resonanzfrequenz gekoppelt sind. Eine durch ein Detektorsignal verursachte Änderung des magnetischen Flusses in einem der SQUIDs führt zu einer Änderung der effektiven Induktivität des zugehörigen Resonators. Die damit verbundene Änderung der Resonanzfrequenz kann durch eine Messung der Phase oder der Amplitude des Resonators ausgelesen werden. Durch kapazitive Kopplung aller Resonatoren an eine gemeinsame Durchgangsleitung wird eine simultane Anregung und Auslesung aller Resonatoren ermöglicht. Der entwickelte Multiplexer wurde mit Hilfe von Simulationsrechnungen sowie experimentell bestimmten Größen entworfen. Hierzu wurden die erreichbaren Güten sowie relevante Parameter zur Vorhersage der Resonanzfrequenz der Resonatoren durch temperatur- und leistungsabhängige Messungen an koplanaren lambda/4-Resonatoren aus Niob bestimmt. Ferner wurde ein Herstellungsprozess für Josephson-Kontakte entwickelt. Die hohe Qualität der hergestellten Tunnelkontakte konnte durch Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien gezeigt werden. Der Vergleich der gemessenen Eigenschaften des hergestellten Multiplexers mit den Designwerten hat ergeben, dass zukünftig Energiesensitivitäten von epsilon < 100 h erreichbar sind und somit die Anforderungen für die Auslesung hochauflösender Detektoren erfüllt werden können.
Die Fähigkeit, schnelle Änderungen des magnetischen Flusses anzuwenden, um die Energieniveaus von supraleitenden Qubits oder variablen Kopplern zu justieren, ist eine Voraussetzung für skalierbare Quantenverarbeitung. In der Schaltkreis-Quantenelektrodynamik (cQED) wird diese Abstimmbarkeit durch supraleitende Quanteninterferenzgeräte (SQUIDs) erzielt. Diese cQED-Systeme sind in einem supraleitenden Hohlraum eingeschlossen, in dem der Meißner-Effekt das Eindringen magnetischer Felder verhindert. Dies stellt jedoch eine Herausforderung dar, da wir einen leicht steuerbaren magnetischen Fluss benötigen, um das SQUID zu durchdringen. Wir begegnen dieser Herausforderung mit einem supraleitenden Flussschlauch, der magnetische Felder mittels Supraströmen transportiert. In dieser Arbeit zeigen wir, wie wir die Idee des Flussschlauchs weiterentwickelt haben, um das Feld effizient zu transportieren und gleichzeitig die inhärenten Verluste über den lambda viertel Resonator, den der Flussschlauch einführt, zu minimieren. Unser Ansatz reduziert dielektrische, leitungs- und strahlungsbedingte Verluste erheblich, indem die flusserzeugende Spule strategisch in einem feldfreien Bereich positioniert wird. Dadurch verbessert sich die Abstimmbarkeit um eine Größenordnung im Vergleich zu unserem früheren Design und die fundamentale Mode weist einen hohen internen Qualitätsfaktor (Q_(INT) >> 4 x 10⁴) auf. Somit eignet diese sich für dispersives Auslesen. Dies haben wir in einer Messung nachgewiesen. Das Konzept wurde durch kapazitive Kopplung des Flussschlauchs an einen flussabstimmbaren Resonator bestätigt. Das Gerät bietet sowohl Flusskontrolle als auch Auslesen auf kleinem Raum und eröffnet einen neuen Weg zur Skalierbarkeit von Prozessoren.
Der Ansatz, die Bewegung eines AFM-Kantilevers induktiv mit einem SQUID Mikrowellenresonator zu koppeln, ermöglicht starke, in-situ verstellbare optomechanische Kopplung. Mit einem solchen System wurde optomechanisches Kühlen im Ein-Photon-Regime demonstriert. Zudem ließ sich zeigen, dass die intrinsische Kerr-Nichtlinearität des SQUIDs effizienteres Kühlen bei nicht aufgelösten Seitenbändern ermöglicht. Das Auflösen der Seitenbändern, was Kühlen in den Grundzustand sowie Untersuchen makroskopischer Quanteneffekte erlauben würde, war jedoch mit dem Mikrowellenesonator Gütefaktor von etwa 5000 nicht möglich. In dieser Arbeit wurde eine neue Charge frequenzabstimmbarer Niob SQUID Resonatoren mit Gütefaktoren von bis zu 35000 charakterisiert. Zur Bestimmung des SQUID Beteiligungsverhältnis und des magnetischen Abschirmparameters wurde eine Fitroutine für das hysteretische Frequenzabstimmverhalten entwickelt. Durch Fitten von Streuparamtern bei hohen Signalleistungen mit einer implementierten Routine, kann die Kerr-Konstante zuverlässig bestimmt werden. Die erhaltenen Paramter der nominell identischen Resontatoren weisen eine signifikane Streung auf, mit SQUID Beteiligungsverhältnissen zwischen 0.27 % und 1.82 %, Abschirmparametern von 0.15 bis 0.36 sowie Kerr-Konstanten am Sweetspot zwischen 8 Hz und 250 Hz. Trotz der anfänglichen Verbesserung des Gütefaktors führen Mikrowellenverluste, nach dem Montieren eines Kantilevers mit magnetischem Partikel über dem SQUID, dazu, dass in unserem System die Seitenbänder weiterhin nicht aufgelöst werden können. Wir stellen fest, dass ein Großteil dieser Verluste durch den dotierten Silizium-Kantileverchip sowie das magnetische Partikel, welches ein Feld von bis zu 100 mT am Ort des SQUIDs erzeugt, entstehen. Die Präparierung solcher Proben konnte erheblich vereinfacht werden. Eine von L. F. Deeg entwickelte Montagevorrichtung verbesserte sowohl die Ausrichtung als auch die Überlebensrate der Kantilever deutlich und erhöhte die Ausbeute an Proben mit hinreichend optomechanischer Kopplung. In vier von fünf präparierten Proben konnte ein mechanisches Signal gemessen werden. Nach wiederholtem Aufwärmen beobachten wir Veränderungen der mechanischen Eigenschaften des Kantilevers sowie Änderungen am Mikrowellenresonator und diskutieren mögliche Ursachen. Trotz Herausforderungen bei der Thermalisierung der mechanischen Mode nach Verlegen des Kryostaten in ein anderes Labor, konnte optomechanisches Kühlen anhand einer der neuen Proben mit einer Kopplungsstärke von bis zu 0.24(3) kHz demonstriert werden. Zur Isolierung der mechanischen Mode von Vibration wird das Experiment im Kryostaten an einer Feder aufgehängt. Durch die Implementierung eines mechanischen Wärmeschalters und das Verwenden von wärmebehandelten Kupfergeflechten konnte die Thermalisierung des isolierten Systems verbessert und ein schnelleres Abkühlen des Kryostaten ermöglicht werden.
Wir berichten über die Eigenschaften von rauscharmen, an der PTB entwickelten SQUID-Stromsensoren sowie deren Anwendung für die Auslesung von nanostrukturierten Hot-Spot-Detektoren. Die hierfür verwendeten SQUID-Arrays zeichnen sich durch Robustheit und einfache Handhabung bei gleichzeitig sehr günstigen Rauscheigenschaften aus. Die SQUID-Arrays, die aus 16 bzw. 25 einzelnen, in Reihe geschalteten SQUIDs bestehen, haben niedrige Eingangsinduktivitäten von etwa 3 nH und besitzen typische Stromrauschwerte von 8 pA Hz-1/2 bei 4,2 K sowie 5 pA Hz-1/2 bei 100 mK. Sie können im Erdmagnetfeld ohne Abschirmung abgekühlt und betrieben werden: Eine Degradierung der V(_)-Kennlinie durch Dephasierung der Einzel-SQUID-Beiträge tritt nicht auf. Das kompakte gradiometrische Design erlaubt darüber hinaus die Montage der Sensor-Chips direkt auf dem Kupferträger in unmittelbarer Nähe zum Detektor, ohne dass das Rauschen zunimmt. \nErste Messungen am Detektor mit SQUID-Auslesung wurden bei 5 K unter der Verwendung der kommerziell erhältlichen DC-SQUID-Elektronik Magnicon XXF-1 durchgeführt. Einzelne vom Detektor absorbierte Photonen im sichtbaren bzw. nahen infraroten Spektralbereich erzeugen am Ausgang der SQUID-Elektronik Spannungspulse von einigen 10 mV. Deren minimale Dauer wird dabei durch die Bandbreite der SQUID-Elektronik begrenzt. In geschlossener Regelschleife (FFL-Mode) haben die Spannungspulse eine mittlere Dauer (FWHM) von 35 ns bei einer Anstiegszeit von 16 ns. Im Kleinsignalbetrieb (Amp-Mode) sinkt die Anstiegszeit auf etwa 8 ns. Die Amplitude der Spannungspulse hängt von der Energie der Photonen ab, sodass der Detektor auch eine spektrale Auflösung besitzt. Die Messung mit SQUID-Vorverstärker bei 5 K lieferte einen Wert von ungefähr 1. \n
Ionenfallen-Quantenbits (Qubits) gehören zu den vielversprechenden Ansätzen zur Realisierung skalierbarer Quantencomputer. Eine Paul-Ionenfalle muss mit mehreren Gleichspannungs- (DC) und einem Radiofrequenzsignal (RF) betrieben werden, um einzelne Ionen zu fangen und den Quantenzustand zu kontrollieren, in dem das Qubit implementiert ist. Viele Ionenfallen werden bei kryogenen Temperaturen betrieben, um thermisches Rauschen zu unterdrücken, Ultrahochvakuum-Bedingungen zu ermöglichen und Quantenoperationen mit niedrigen Fehlerraten zu erreichen. Ein Resonanzkreis aus einer Spule und der Kapazität der Fallelektroden wird verwendet, um ein RF-Signal mit geringer Leistung in unmittelbarer Nähe der Ionenfalle auf eine hohe Spannungsamplitude zu bringen, welche das Fangen von Ionen ermöglicht. Ein Impedanzanpassungsnetzwerk in Form eines Kondensators wird eingesetzt, um die Leistungsverluste durch Reflexion auf −16 dB zu reduzieren. Da sich die Eigenschaften von Metallen und Halbleiterbauelementen bei tiefen Temperaturen deutlich ändern, kann das wiederholte Abkühlen, Messen, Aufwärmen und die Justierung der Kapazität für die Impedanzanpassung des Resonators herausfordernd sein. Elektrisch einstellbare Komponenten für RF-Schaltungen ermöglichen eine Feinabstimmung des Impedanzanpassungsnetzwerks während des Experiments, ohne zeitaufwändige Abkühlzyklen durchführen zu müssen. Es wird ein elektrisch abstimmbares Impedanzanpassungsnetzwerk auf Basis von Varaktordioden demonstriert, das eine Reduzierung der Leistungsreflexion von bis zu −65 dB erreicht. Die Art der Impedanzanpassung ermöglicht es, die Schaltung noch näher an der Ionenfalle zu platzieren, was zur Reduktion thermischer Verluste führt. Durch die deutlich kürzere Verbindung zwischen Resonator und Ionenfalle ist das Überkoppeln anderer Signale auf die RF-Elektroden ebenfalls reduziert. Ein erhöhter Gütefaktor (Q-Faktor) des Resonanzkreises führt zu einem höheren Spannungsverstärkungsfaktor. Zudem profitiert das Experiment von einer stärkeren Unterdrückung parasitärer Frequenzanteile im einschließenden elektrischen Feld der Ionenfalle. Der Q-Faktor ist umgekehrt proportional zur Kapazität der RF-Elektroden. Da Ionenfallen zur Erhöhung der Anzahl an Qubits größer werden und ihre Kapazität entsprechend zunimmt, wird die Entwicklung verlustarmer Spulen für den Resonator zunehmend wichtiger. Der Aufbau einer supraleitenden Spule für einen Resonator mit hohem Q-Faktor, sowie Messungen des Q-Faktors und dessen Temperaturabhängigkeit, werdenvorgestellt. Die Spule aus Niob-Titan-Draht, der auf einem Spulenkörper aus einer technischen Keramik mit Außengewinde gewickelt und mit zusätzlichen Elementen zur Thermalisierung versehen ist, erreicht einen QFaktor von 1200 bei einer Temperatur von 4K. Sie wird mit einer Spule aus hochreinem Kupferdraht verglichen, die einen Q-Faktor von 660 bei gleicher Temperatur aufweist. Zudem wurde ein Steckverbinder entwickelt, der auch bei kryogenen Temperaturen einen zuverlässigen elektrischen Kontakt zwischen dem Draht des Resonators und Leiterplatten gewährleistet. Die Form des Kupfergehäuses wurde für die Positionierung neben der Ionenfalle optimiert. Eine Methode zur korrekten Installation, sowie zur Berechnung der erforderlichen Eingangsleistung zur Erzeugung einer bestimmten Spannungsamplitude, werden beschrieben. Außerdem werden Designs supraleitender Dünnschichtresonatoren zur weiteren Miniaturisierung der Schaltung vorgestellt. Als Supraleiter wird Yttrium-Barium-Kupferoxid mit einer kritischen Temperatur von bis zu 90K verwendet. Die Dünnschichten werden in unserem eigenen Depositionsprozess auf 10mm × 10mm Substraten abgeschieden. Die Miniaturisierung auf Chipgröße ermöglicht es, den Resonator in unmittelbarer Nähe der Ionenfalle oder sogar im Sockel eines Fallenchips zu integrieren. Die Technologie ist zudem für die Detektion der Zyklotron- Frequenz von gefangenen (Anti-)Protonen in Penningfallenexperimenten anwendbar. Messungen der Induktivität, der Kapazität, des Gütefaktors und des kritischen Stroms der Dünnschichten werden präsentiert, um die Funktionalität dieses Ansatzes zu demonstrieren.