Development, modeling, deployment, and K$_\text{u}$ 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. ... mehrDarüber hinaus haben wir das erste vollwertige µMUX-System für magnetische Mikrokalorimeter eingesetzt, dessen volle Funktionsfähigkeit mit einem mittleren Rauschpegel von $1{,}4\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$ 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 K$_\text{u}$-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 $0{,}27\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$ auf, was mit Werten vergleichbar ist, die sonst nur mit kinetisch-induktiven Wanderwellen-Verstärkern in der kryogenen Auslesekette erreicht werden.

Superconducting microcalorimeters are cryogenic particle detectors offering excellent energy resolution and near-unity quantum efficiency. Advances in fabrication enable large detector arrays, creating the need for suitable multiplexed readout techniques. Microwave SQUID multiplexing (µMUXing) is the state-of-the-art approach, but its present performance often limits applications, making it of utmost importance to understand and mitigate existing limitations. In this respect, we show how microwave losses in the µMUX dc circuitry reduce the intrinsic quality factor and thereby µMUX noise performance and provide a quantitative description of how different dc loads affect µMUX characteristics. ... mehrMoreover, we deployed the first full-fledged µMUX system for magnetic microcalorimeters, demonstrating full functionality with a mean noise level of $1.4\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$ and improving former systems by $44\,\%$. To further optimize future µMUX designs, we developed a numerical model describing µMUX characteristics and performance for the entire parameter range of non-hysteretic rf-SQUIDs, accepting arbitrary current-phase relations of the Josephson junctions. This allows us to quantify the effects of tunnel barrier inhomogeneities, which are similar but distinct from those of an increased screening parameter, making them essential to accurate µMUX characterization. Finally, we demonstrate a novel approach operating a µMUX in the K$_\text{u}$ band, enabling lower noise, better time resolution, higher multiplexing factor, and smaller device footprint. These devices are feasible, agree well with our models, and achieve dimensions smaller than typical microcalorimeter absorbers. In addition, they demonstrate open-loop readout noise as low as $0.27\,\mathrm{µ\Phi_0/\sqrt{Hz}}$, comparable to levels otherwise attained only with kinetic-inductance traveling-wave parametric amplifiers in the cryogenic readout chain.