[論文レビュー] The effect of niobium thin film structure on losses in superconducting circuits

Maxwell Drimmer, Sjoerd Telkamp+8 more|arXiv (Cornell University)|Mar 18, 2024

Physics of Superconductivity and Magnetism被引用数 5

ひとこと要約

この研究は、Nb薄膜の結晶性と表面形態を蒸着温度で制御することにより、Nb-on-sapphire共振器のマイクロ波損失機構と結びつけ、単一光子クオリティファクターにおいて記録的なレベルを達成した。

ABSTRACT

The performance of superconducting microwave circuits is strongly influenced by the material properties of the superconducting film and substrate. While progress has been made in understanding the importance of surface preparation and the effect of surface oxides, the complex effect of superconductor film structure on microwave losses is not yet fully understood. In this study, we investigate the microwave properties of niobium resonators with different crystalline properties and related surface topographies. We analyze a series of magnetron sputtered films in which the Nb crystal orientation and surface topography are changed by varying the substrate temperatures between room temperature and 975 K. The lowest-loss resonators that we measure have quality factors of over one million at single-photon powers, among the best ever recorded using the Nb on sapphire platform. We observe the highest quality factors in films grown at an intermediate temperature regime of the growth series (550 K) where the films display both preferential ordering of the crystal domains and low surface roughness. Furthermore, we analyze the temperature-dependent behavior of our resonators to learn about how the quasiparticle density in the Nb film is affected by the niobium crystal structure and the presence of grain boundaries. Our results stress the connection between the crystal structure of superconducting films and the loss mechanisms suffered by the resonators and demonstrate that even a moderate change in temperature during thin film deposition can significantly affect the resulting quality factors.

研究の動機と目的

• 堆積中の基板温度によって調整されるNb薄膜の結晶性と表面トポグラフィが、超導共振器のマイクロ波損失にどのように影響するかを調査する。
• 粒界とエピタキシャル品質が準粒子ダイナミクスとTLS関連の損失にどのように影響するかを明らかにする。
• 損失を最小化し共振器の性能を向上させる成長温度域を特定する。

提案手法

• 同一のスパッタ条件下で、サファイア上にNb薄膜を5つの温度（300, 550, 745, 900, 975 K）で成長させる。
• XRDとポールフィギュアを用いて結晶構造を特定し、多結晶性と単結晶性の秩序を判定する。
• AFMを用いて表面形態を評価し、粗さとドメイン構造を定量化する。
• 各ウェハ上にCPW共振器を製造し、S21を測定して共振特性と内部Q因子を抽出する。
• TLSに基づくフレームワークと温度に依存しない損失項(delta_PI)を加えたモデルで、TLS成分と非TLS成分を分離して損失をモデル化する。
• DC輸送特性(Tc, Hc, l_MFP, xi_GL)を解析して、微視的薄膜特性とマイクロ波性能の関係を明らかにする。

Figure 1: (a) XRD radial scans of the wafers listed in Table 1 . The traces are offset with respect to each other for clarity. The sharp peaks that are associated with the mono-crystalline sapphire substrate are labeled with a star. (b) XRD polefigures of the 110 Bragg peak showing the orientation d

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 成長温度によって制御されるNb薄膜の結晶性は、Nb-on-sapphire共振器におけるマイクロ波損失機構にどのような影響を与えるか。
• RQ2 これらの薄膜における表面粗さ、粒界とTLS関連損失との関係はどうなるか。
• RQ3 中間の成長温度が、低損失のための結晶秩序と表面形態の最適な組み合わせを持つ薄膜を生み出すことができるか。
• RQ4 結晶構造と粒界に応じて、温度依存損失と温度非依存損失の寄与がどのように変化するか。
• RQ5 粒界密度と準粒子ダイナミクス・トラッピングに関与する機構は何か。

主な発見

• 中間温度成長（550 K）からの共振器は、1.0×10^6を超える最高の単一光子内部Q因子を示す。
• 550 Kで成長した薄膜は支配的な[110]の法線方向配向と低表面粗さを示し、TLS損失の低減と相関する。
• 975 Kで成長したウェハEは多くの欠陥を示し、Q因子が著しく低下しており、欠陥密度が損失寄与者であることを示している。
• TLS損失は低温・低電力で支配的であり、一部のウェハで高温時にはPI損失がより重要になる。
• 室温（多結晶）薄膜はTLS損失が高く粗い表面を示し、結晶性と形態が散逸へ影響することを示している。
• 温度依存損失には、粒界密度と準粒子トラッピングダイナミクスに結びつく2つの動作レジームが観察される。

Figure 2: An overview of the effect of deposition temperature on Nb surface morphology studied by AFM topography images. In (a), Wafer A shows the commonly observed randomly oriented grain structure of Nb while the wafers grown at higher temperature start to display a triangular pattern that can be