[論文レビュー] Characterization of a flux-driven Josephson parametric amplifier with near quantum-limited added noise for axion search experiments

Çağlar Kutlu, Arjan F. van Loo+8 more|arXiv (Cornell University)|Jan 21, 2021

Dark Matter and Cosmic Phenomena参考文献 35被引用数 45

ひとこと要約

本論文は、2.3 GHzで動作するフラックス駆動型ジョセフソンパラメトリックアンプ（JPA）を実証し、近似的に量子限界に近い追加雑音を達成した。冷媒で冷却されたアンプと級進接続した場合、システム雑音温度は120 mKにまで低下し、axionホールスコープ実験における近似的に量子限界の信号検出を可能にした。この結果、検出系の追加雑音を最小限に抑えることで、ダークマター探索の感度が顕著に向上した。

ABSTRACT

The axion, a hypothetical elementary pseudoscalar, is expected to solve the strong CP problem of QCD and is also a promising candidate for dark matter. The most sensitive axion search experiments operate at millikelvin temperatures and hence rely on instrumentation that carries signals from a system at cryogenic temperatures to room temperature instrumentation. One of the biggest limiting factors affecting the parameter scanning speed of these detectors is the noise added by the components in the signal detection chain. Since the first amplifier in the chain limits the minimum noise, low-noise amplification is of paramount importance. This paper reports on the operation of a flux-driven Josephson parametric amplifier (JPA) operating at around 2.3 GHz with added noise approaching the quantum limit. The JPA was employed as a first stage amplifier in an experimental setting similar to the ones used in haloscope axion detectors. By operating the JPA at a gain of 19 dB and cascading it with two cryogenic amplifiers operating at 4 K, noise temperatures as low as 120 mK were achieved for the whole signal detection chain.

研究の動機と目的

• ミリケルビン温度で動作するaxionホールスコープ実験に適した低雑音マイクロ波アンプの開発を目的とする。
• axion検出器の走査速度を制限する検出系における追加雑音を最小限に抑えることを目的とする。
• 2.3 GHzで近似的に量子限界性能を示すフラックス駆動型JPAを最初の段階のアンプとして特徴づけることを目的とする。
• 実際のaxion探索設定において、システム雑音温度（Tsys）を190 mKまで低下させ、標準量子限界に近づけることを目的とする。
• 熱的および電子的雑音が最小限に抑えられた冷媒環境下で、アンプの性能を検証することを目的とする。

提案手法

• JPAは、外部磁束によって周波数を調整可能なλ/4コプラナー波ガイド共振器に結合された超伝導量子干渉計（SQUID）に基づく。
• パラメトリック増幅は、SQUIDループにおけるフラックス変調ポンプ周波数を用いた三波混合（ポンプ、信号、イドル）によって実現される。
• アンプは三段階の級進接続で構成される：最初の段階としてのJPA、次に4 Kで動作する2段階の冷媒ヘテロジュンクションエマルジョントランジスタ（HEMT）アンプ。雑音温度の寄与はFriisの式を用いてモデル化される。
• 雑音温度は50 mKの雑音源とスペクトラムアナライザを用いて測定され、JPAを迂回するためのマイクロ波ショートを介したキャリブレーションが実施された。
• 理論的雑音伝播モデルには利得項（GJ、Gc、GL）、雑音源（Snf、Sj）、および逆方向に伝播する雑音が含まれ、合成アンプ式から全出力雑音電力を導出する。
• 基準面を800 mKに設定し、測定された出力電力を理論モデルにフィットさせることで、全利得Gtotと雑音温度Tnをフィッティングパラメータとしてシステムをキャリブレーションした。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 フラックス駆動型JPAは、冷媒環境下で2.3 GHzで近似的に量子限界の追加雑音性能を達成できるか？
• RQ2 JPAをホールスコープ検出系の最初のアンプとして使用した場合、最小でどの程度のシステム雑音温度（Tsys）が達成可能か？
• RQ3 2.3 GHzにおけるJPAの雑音性能は、標準量子限界（SQL）と比べてどの程度か？
• RQ4 信号系内の損失や非理想部品によってJPAの性能がどの程度劣化するか？
• RQ5 JPAは19 dBの利得で動作しながら、axion探索実験における高速周波数走査を可能にする低追加雑音を維持できるか？

主な発見

• フラックス駆動型JPAは、2台の4 K HEMTアンプと級進接続した場合、追加雑音温度が約120 mKに達し、バスターミナル温度が50 mKの条件下で、全システム雑音温度（Tsys）が190 mKにまで低下した。
• 測定された雑音温度120 mKは、2.3 GHzにおける標準量子限界（110 mK）から10 mK以内であり、近似的に量子限界性能を示していることが確認された。
• アンプは19 dBの利得を達成し、追加雑音が非常に小さく、50 mKで複数回の測定において安定した性能を示した。
• 逆方向雑音と部品損失を含む合成システムの理論モデルは、測定された出力雑音を正確に予測でき、雑音予算手法の妥当性が裏付けられた。
• 2.2 GHz以上の周波数でフラックス雑音に対して低い感受性を示し、コイル電流による制御で共振周波数を2.18 GHzから2.309 GHzに調整可能であった。
• 全利得が約30 dBに達する条件下で、雑音温度が120 mKに維持された。これにより、JPAがaxionホールスコープ実験における効果的な最初の段階アンプであることが確認された。