Desarrollo de resonadores superconductores basados en aluminio granular

En este trabajo, desarrollamos avances hacia la implementación de resonadores microondas basados en materiales superconductores con alta inductancia cinética. Estos resonadores se caracterizan por su alto factor de calidad y por su gran sensibilidad para la detección de fotones. En su versión más...

Descripción completa

Detalles Bibliográficos
Autor principal: Potosí, Erick A.
Formato: Tesis NonPeerReviewed
Lenguaje:Español
Publicado: 2024
Materias:
Física
[Granular aluminium
Aluminio granular
Kinetic inductance
Inductancia cinética
Superconducting dome
Domo superconductor
Microwave resonators
Resonadores microondas
Disordered superconductors
Superconductores desordenados]
Acceso en línea:http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1235/1/1Potosi_Montanchez.pdf
Aporte de:
Repositorio Institucional Centro Atómico Bariloche e Instituto Balseiro (RICABIB) de Instituto Balseiro
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Entre los materiales con alta inductancia cinética de fabricación más accesible y comportamiento más reproducible está el aluminio granular (AlGr), el cual consiste de nano granos de aluminio embebidos en una matriz aislante de oxido de aluminio. Como se discute en la primera parte de esta tesis, de la fenomenología de la superconductividad del AlGr, se desprenden dos propiedades significativas relacionadas con su nano estructura: por un lado, el incremento de la temperatura crítica superconductora con la resistencia superficial, lo que conlleva a la formación de un domo superconductor en el diagrama de fase Tc vs RS. Por otro lado, una alta inductancia cinética, típica de superconductores desordenados, que comparamos con valores típicos de otros materiales superconductores para comprender su ventaja en el desarrollo de MKIDs. En esta tesis fabricamos tres generaciones de films de AlGr, en las cuales optimizamos los parámetros de crecimiento durante el proceso de pulverización catódica (sputtering) de aluminio en una atmósfera controlada de oxigeno. Obtuvimos films de AlGr con distintas concentraciones de oxígeno ajustando la presión de oxígeno relativa en el proceso de crecimiento. Caracterizamos estos films en términos de su morfología utilizando diferentes técnicas (AFM, SEM, TEM) y en términos de sus propiedades eléctricas realizando mediciones de resistencia a dos terminales a temperatura ambiente en una estación de prueba. Utilizando procesos de microestructuración aditiva y sustractiva sobre los films de la tercera generación de AlGr, y luego de una optimización de los parámetros de litografía óptica y ataque químico, obtuvimos como resultado films con un diseño de barra Hall del orden de los cientos de micrones. Estos films fueron enfriados en un criostato de dilución hasta temperaturas aproximadas de 10 mK para evaluar su temperatura crítica de transición al estado superconductor. Los resultados indican un incremento de la temperatura crítica con la concentración de oxígeno en los films hasta un 3% y luego una disminución para concentraciones mayores. Además, presentamos avances en el desarrollo de resonadores de alta inductancia cinética utilizando AlGr. Trabajamos en la optimización de los parámetros de microestructuraci ón de los resonadores y en la calibración de un setup de medición RF para su caracterización en el régimen criogénico. Para ello, utilizamos un prototipo de resonadores diseñado a partir de nitruro de niobio titanio (NbTiN), disponible en el grupo de investigación, el cual nos permitió obtener mediciones de las frecuencias de resonancia y su comportamiento ante cambios de temperatura y potencia en el setup de medición. In this work, we developed advancements towards the implementation of microwave resonators based on superconducting materials with high kinetic inductance. These resonators are characterized by their high quality factor and high sensitivity for photon detection. In their most advantageous version as Microwave Kinetic Inductance Detectors (MKIDs), these devices are capacitively coupled to a single transmission line to allow multiplexed readout of a pixel array. Among the materials with high kinetic inductance of more affordable fabrication and more reproducible behavior is granular aluminum (AlGr), which consists of aluminum nano grains embedded in an aluminum oxide insulating matrix. As discussed in the first part of this thesis, from the phenomenology of the superconductivity of AlGr, two significant properties related to its nanostructure emerge: on the one hand, the increase of the superconducting critical temperature with the surface resistance, leading to the formation of a superconducting dome in the Tc vs RS phase diagram. On the other hand, a high kinetic inductance, typical of disordered superconductors, which we compare with typical values of other superconducting materials to understand their advantage in the development of MKIDs. In this thesis we fabricated three generations of AlGr films, in which we optimized the growth parameters during the aluminum sputtering process in a controlled oxygen atmosphere. We obtained AlGr films with different oxygen concentrations by adjusting the relative oxygen pressure in the growth process. We characterized these films in terms of their morphology using different techniques (AFM, SEM, TEM) and in terms of their electrical properties by performing two-terminal resistance measurements at room temperature in a test station. Using additive and subtractive microstructuring processes on third generation AlGr films, and after optimization of the optical lithography and chemical etching parameters, we obtained films with a Hall bar design in the order of hundreds of microns. These films were cooled in a dilution cryostat to temperatures of approximately 10 mK to evaluate their critical transition temperature to the superconducting state. The results indicate an increase of the critical temperature with oxygen concentration in the films up to 3% and then a decrease for higher concentrations. Additionally, we present advancements in the development of high kinetic inducix tance resonators using AlGr. We worked on optimizing the microstructuring parameters of the resonators and calibrating an RF measurement setup for their characterization in the cryogenic regime. To achieve this, we utilized a prototype of resonators designed from niobium titanium nitride (NbTiN), available in the research group, which allowed us to obtain measurements of the resonance frequencies and their behavior under temperature and power variations in the measurement setup. 2024-02-29 Tesis NonPeerReviewed application/pdf http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1235/1/1Potosi_Montanchez.pdf es Potosí, Erick A. (2024) Desarrollo de resonadores superconductores basados en aluminio granular / Development of superconducting resonators based on granular aluminium. Maestría en Ciencias Físicas, Universidad Nacional de Cuyo, Instituto Balseiro. http://ricabib.cab.cnea.gov.ar/1235/

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