English Title: Development of a microwave SQUID multiplexer based on non-hysteretic rf-SQUIDsfor the readout of metallic magnetic calorimeters

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Abstract

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.

Translation of abstract (English)

This thesis describes the development of a microwave SQUID multiplexer for the readout of metallic magnetic calorimeters. A microwave SQUID multiplexer consists of non-hysteretic rf-SQUIDs that are inductively coupled to superconducting microwave resonators with unique resonance frequencies. A change of magnetic flux inside a SQUID due to a detector signal leads to a change of the effective inductance and thus to a change of the resonance frequency of the corresponding resonator. By capacitively coupling different resonators to a common transmission line, injecting a microwave frequency comb and monitoring either amplitude or phase of each resonator, it is therefore possible to measure all detector signals simultaneously. The design of the multiplexer is based on the results of numerical calculations and measurements. In this context the achievable quality factors and the parameters necessary for predicting the resonance frequencies of the resonators were determined by means of temperature and power dependent measurements on coplanar lambda/4 transmission line resonators made of Niobium. A process for the fabrication of Josephson junctions was established. The high quality of the junctions was demonstrated by measurements of the current-voltage-characteristics. A comparison between the performance of the fabricated multiplexer and the design values showed that in future energy sensitivities below 100 h can be achieved so that the requirements for a readout of high-resolution detectors will be fulfilled.