Flux coupled tunable superconducting resonator

We present a design and implementation of frequency-tunable superconducting resonator. The resonance frequency tunability is achieved by flux-coupling a superconducting LC-loop to a current-biased feedline; the resulting screening current leads to a change of the kinetic inductance and shift in the resonance frequency. The thin film aluminum resonator consists of an interdigitated capacitor and thin line inductors forming a closed superconducting loop. The magnetic flux from the nearby current feedline induces Meissner shielding currents in the resonator loop leading to change in the kinetic part of the total inductance of the resonator. We demonstarte continuous frequency tuning within 160 MHz around the resonant frequency of 2.7 GHz. We show that: (1) frequency upconversion is achieved when kHz AC modulation signal is superimposed onto the DC bias resulting in sidebands to the resonator tone; (2) three-wave mixing is attained by parametrically pumping the nonlinear kinetic inductance using a strong RF pump signal in the feedline. The simple architecture is amenable to large array multiplexing and on-chip integration with other circuit components. The concept could be applied in flux magnetometers, upconverters, and parametric amplifiers operating above 4 Kelvin cryogenic temperatures when alternative high critical temperature material with high kinetic inductance is used

Electromagnetic properties of aluminum-based bilayers for kinetic inductance detectors

The complex conductivity of a superconducting thin film is related to the quasiparticle density, which depends on the physical temperature and can also be modified by external pair breaking with photons and phonons. This relationship forms the underlying operating principle of Kinetic Inductance Detectors (KIDs), where the detection threshold is governed by the superconducting energy gap. We investigate the electromagnetic properties of thin-film aluminum that is proximitized with either a normal metal layer of copper or a superconducting layer with a lower TC , such as iridium, in order to extend the operating range of KIDs. Using the Usadel equations along with the Nam expressions for complex conductivity, we calculate the density of states and the complex conductivity of the resulting bilayers to understand the dependence of the pair breaking threshold, surface impedance, and intrinsic quality factor of superconducting bilayers on the relative film thicknesses. The calculations and analyses provide theoretical insights in designing aluminum-based bilayer kinetic inductance detectors for detection of microwave photons and athermal phonons at the frequencies well below the pair breaking threshold of a pure aluminum film

Розробка перспективних наноструктурних багатошарових покриттів з покращеними фізико-механічними та трибологічними властивостями

Мета дослідження полягає в розробці технологій отримання перспективних наноструктурних багатошарових покриттів з покращеними трибологічними та фізико-механічними властивостями, а також встановлення основних закономірностей, створення моделей та розвиток фізичних уявлень про процеси, що обумовлюють формування складу, структури, функціональних властивостей багатошарових наноструктурних покриттів. Завданням проекту є дослідження впливу параметрів осадження, товщини та складу бішарів на властивості покриттів, а також розробка технологічних рекомендацій до практичного застосування даних покриттів

Розробка перспективних наноструктурних багатошарових покриттів з покращеними фізико-механічними та трибологічними властивостями

Мета дослідження полягає в розробці технологій отримання перспективних наноструктурних багатошарових покриттів з покращеними трибологічними та фізико-механічними властивостями, а також встановлення основних закономірностей, створення моделей та розвиток фізичних уявлень про процеси, що обумовлюють формування складу, структури, функціональних властивостей багатошарових наноструктурних покриттів. Завданням проекту є дослідження впливу параметрів осадження, товщини та складу бішарів на властивості покриттів, а також розробка технологічних рекомендацій до практичного застосування даних покриттів

A stress-induced source of phonon bursts and quasiparticle poisoning.

The performance of superconducting qubits is degraded by a poorly characterized set of energy sources breaking the Cooper pairs responsible for superconductivity, creating a condition often called quasiparticle poisoning. Both superconducting qubits and low threshold dark matter calorimeters have observed excess bursts of quasiparticles or phonons that decrease in rate with time. Here, we show that a silicon crystal glued to its holder exhibits a rate of low-energy phonon events that is more than two orders of magnitude larger than in a functionally identical crystal suspended from its holder in a low-stress state. The excess phonon event rate in the glued crystal decreases with time since cooldown, consistent with a source of phonon bursts which contributes to quasiparticle poisoning in quantum circuits and the low-energy events observed in cryogenic calorimeters. We argue that relaxation of thermally induced stress between the glue and crystal is the source of these events

A Stress Induced Source of Phonon Bursts and Quasiparticle Poisoning

The performance of superconducting qubits is degraded by a poorly characterized set of energy sources breaking the Cooper pairs responsible for superconductivity, creating a condition often called "quasiparticle poisoning." Recently, a superconductor with one of the lowest average quasiparticle densities ever measured exhibited quasiparticles primarily produced in bursts which decreased in rate with time after cooldown. Similarly, several cryogenic calorimeters used to search for dark matter have also observed an unknown source of low-energy phonon bursts that decrease in rate with time after cooldown. Here, we show that a silicon crystal glued to its holder exhibits a rate of low-energy phonon events that is more than two orders of magnitude larger than in a functionally identical crystal suspended from its holder in a low-stress state. The excess phonon event rate in the glued crystal decreases with time since cooldown, consistent with a source of phonon bursts which contributes to quasiparticle poisoning in quantum circuits and the low-energy events observed in cryogenic calorimeters. We argue that relaxation of thermally induced stress between the glue and crystal is the source of these events, and conclude that stress relaxation contributes to quasiparticle poisoning in superconducting qubits and the athermal phonon background in a broad class of rare-event searches.Comment: 13 pages, 6 figures. W. A. Page and R. K. Romani contributed equally to this work. Correspondence should be addressed to R. K. Roman

Розробка математичних моделей отримання багатошарових покриттів із заданими властивостями

Завданням проекту є дослідження впливу параметрів осадження, товщини та складу бішарів на властивості покриттів, а також розробка технологічних рекомендацій до практичного застосування даних покриттів. Звіт складається з п’ятьох розділів. У перших двох розділах розглянуто основні аспекти отримання та дослідження багатошарових наноструктурних покриттів. У розділах 3 – 5 представлені результати досліджень багатошарових покриттів CrN/MoN, TiN/ZrN та TiN/SiC відповідно

Розробка математичних моделей отримання багатошарових покриттів із заданими властивостями

Завданням проекту є дослідження впливу параметрів осадження, товщини та складу бішарів на властивості покриттів, а також розробка технологічних рекомендацій до практичного застосування даних покриттів. Звіт складається з п’ятьох розділів. У перших двох розділах розглянуто основні аспекти отримання та дослідження багатошарових наноструктурних покриттів. У розділах 3 – 5 представлені результати досліджень багатошарових покриттів CrN/MoN, TiN/ZrN та TiN/SiC відповідно

Імплантація іонів низьких та високих енергій у багатокомпонентні та багатошарові покриття: мікроструктура та властивості

Мета дослідження: встановлення закономірностей впливу умов осадження та дози і енергії імплантованих іонів на структурно-фазовий стан та фізикомеханічні властивості багатошарових та багатоелементних наноструктурних покриттів на основі нітридів або карбонітридів тугоплавких та перехідних металів. Предмет дослідження: структура та комплекс фізико-механічних властивостей багатокомпонентних та багатошарових наноструктурних покриттів на основі нітридів або карбонітридів перехідних та тугоплавких металів при імплантації іонами Au- різних доз та енергій

Імплантація іонів низьких та високих енергій у багатокомпонентні та багатошарові покриття: мікроструктура та властивості

Мета роботи – встановлення закономірностей впливу виду іонів, їх дози і енергії на елементний склад, структурно-фазовий та напружено- деформований стан, а також механічні і трибологічні властивості багатошарових наноструктурних покриттів на основі нітридів перехідних та тугоплавких металів з теоретичної та експериментальної точки зору. Об’єкт дослідження – фізичні та хімічні процеси утворення радіаційних дефектів у багатошарових та багатоелементних нітридних покриттях на основі перехідних та тугоплавких металів, процеси фазоутворення та дифузії, та механічні та трибологічні властивості покриттів до та після іонної імплантації. Предмет дослідження – фізичні, хімічні, механічні та трибологічні властивості багатошарових та багатоелементних наноструктурних нітридних покриттів на основі перехідних та тугоплавких металів викликані в результаті імплантації іонів Au- , Si+ , Xe+ різних доз та енергій у їх поверхню