English Title: Investigation of low-frequency flux noise in dc-SQUIDs at temperatures below 1K

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Abstract

Der Ursprung des niederfrequenten Flussrauschens in supraleitenden Quantenbauteilen wird seit vielen Jahren intensiv untersucht. Dennoch sind bis heute nicht alle Ursachen verstanden. Aus diesem Grund wurde im Rahmen der vorliegenden Arbeit eine Vielzahl von unterschiedlichen dc-SQUIDs entworfen, gefertigt und bei Temperaturen unter 1K eingehend charakterisiert. Insbesondere wurde das niederfrequente magnetische Flussrauschen mit Hilfe verschiedener Messaufbauten gemessen und detailliert analysiert. Zu den untersuchten SQUIDs zählen nicht nur einfache Washer-SQUIDs, sondern auch komplexe, als Stromsensor ausgeführte Parallel- und Seriengradiometer sowie N-SQUID-Serienarrays. Diese stellen eine Serienschaltung aus N einzelnen SQUID-Zellen dar und finden üblicherweise Verwendung als rauscharme Tieftemperaturverstärker. Die durchgeführten Untersuchungen zielen darauf ab, eine Abhängigkeit des niederfrequenten Flussrauschens von der Induktivität der SQUID-Leiterschleife, von herstellungsbedingten Verunreinigungen isolierender Schichten, von dem verwendeten Material der Leiterschleife oder der Wasserstoffbeladung von Nb-Strukturen zu untersuchen. Es zeigte sich, dass alle aufgeführten Punkte das niederfrequente Flussrauschen beeinflussen und dass eine Optimierung daher das niederfrequente Flussrauschen reduzieren kann. Mit den durchgeführten Messungen konnte somit ein wichtiger Beitrag geleistet werden, um Licht auf die Frage nach Ursache und Eigenschaften des niederfrequenten Zusatzflussrauschens in supraleitenden Quantenbauteilen zu werfen und perspektivisch diesen Rauschbeitrag zu reduzieren.

Translation of abstract (English)

The origin of low-frequency flux noise in superconducting quantum devices has been studied intensively for many years. However, not all sources are understood to date. For this reason a variety of different dc SQUIDs were designed, fabricated and thoroughly characterized at temperatures below 1K within this thesis. In particular, the low-frequency magnetic flux noise was measured and analyzed in detail using different experimental setups. The SQUIDs investigated include not only simple washer type SQUIDs, but also complex current sensor SQUIDs in form of parallel and serial gradiometers as well as N SQUID series arrays. These consist of N single SQUID cells connected in series and are usually used as low-noise amplifiers operated at low temperatures. The investigations were aimed at studying the dependence of low-frequency flux noise on the SQUID loop inductance, fabrication induced impurities inside insulating layers, on the material forming the SQUID loop or on the hydrogen content of the Nb structures. It turned out that all the points listed influence the low-frequency flux noise and that optimization can therefore reduce the low-frequency flux noise. The measurements carried out thus made an important contribution to shedding light onto the question of the reasons and properties of low-frequency excess flux noise in superconducting quantum devices and to reduce this noise contribution in the future.