Superconducting kinetic inductance devices for nanoscale force sensing
Tid: Fr 2024-03-01 kl 09.00
Plats: FA32, Roslagstullsbacken 21, Stockholm
Språk: Engelska
Ämnesområde: Fysik, Material- och nanofysik
Respondent: August K. Roos , Nanostrukturfysik
Opponent: Dr Hélène le Sueur, Quantronics Group, CEA-Saclay, France
Handledare: Prof David B. Haviland, Nanostrukturfysik
QC 2024-02-06
Abstract
Vi presenterar i denna avhandling en kraftsensor för atomkraftsmikroskopi baserad på kavitetsoptomekaniska principer. Vi förklarar kraftsensorns funktion, design, tillverkning och karaktärisering. Kraftsensorns mekaniska del består av en vipparm med en mycket fin spets. Nära vipparmens fästpunkt finns en LC-krets med en resonansfrekvens i mikrovågsområdet 4-5 GHz. Induktansen utgörs av en supraledande slingrande nanotråd som ändrar sin induktans när den töjs. Således kan vipparmens mekaniska rörelse detekteras med en mikrovågssignal som mäter hur LC-kretsens resonansfrekvens förändras. Vipparmens mekaniska rörelse ger upphov till sidoband i mikrovågsspektrat. En detektionsmetod bygger på att kretsen drivs av två mikrovågstoner samtidigt som vipparmen bringas i mekanisk resonans av en piezoelektrisk vibrator monterad nära sensorn. Amplituden på den uppmätta signalen beror på fasskillnaden mellan vipparmens rörelse och mikrovågstonerna.
Nyckelstegen i tillverkningen inkluderar deponeringen av spetsen på vipparmen och dess friläggning genom bortetsning av substratet från både fram- och baksidan. Tillverkningen görs över en hel halvledarbricka och uppvisar en hög andel fungerande komponenter. Den optomekaniska kopplingsstyrkan g0 uppmättes i storleksordningen några få Hertz vid temperaturer av några millikelvin. En noggrann kalibrering mellan vipparmens mekaniska rörelse och förskjutningen av LC-kretsens resonansfrekvens försvåras dock av en ännu oidentifierad icketermisk kraft. Vi presenterar även hur mikrovågsförlusterna i LC-kretsen varierar i området 1.7-6 K. Våra kretsar uppvisar större förluster än förväntat vilket vi tillskriver kretsens dielektrikum. Förlusterna från kvasipartiklar sätter en övre gräns för kvalitetsfaktorn som våra kretsar kan uppnå oavsett topologi. LC-kretsen uppvisar samtidigt ett icke-linjärt förhållande mellan ström och kinetisk induktans vilket möjliggör parametrisk förstärkning av de mekaniska sidobanden för att öka känsligheten. Den presenterade kraftsensorn integrerar således kraftomvandlaren (vipparmen), detektorn (LC-kretsen) och en parametrisk signalförstärkare (via LC-kretsens icke-linjäritet) i en och samma komponent.