[논문 리뷰] Characterization of a flux-driven Josephson parametric amplifier with near quantum-limited added noise for axion search experiments

Çağlar Kutlu, Arjan F. van Loo외 8명|arXiv (Cornell University)|2021. 01. 21.

Dark Matter and Cosmic Phenomena참고 문헌 35인용 수 45

한 줄 요약

이 논문은 2.3 GHz에서 작동하는 플럭스 구동형 조지프슨 파라메트릭 앰프리파이어(JPA)를 제시하며, 거의 양자한계에 가까운 추가 노이즈를 구현하여 냉각된 앰프와 연결된 경우 시스템 노이즈 온도를 120 mK로 낮추었다. JPA는 악시온 할로스코프 실험에서 거의 양자한계에 가까운 신호 탐지 기능을 가능하게 하여, 탐지 체인의 추가 노이즈를 최소화함으로써 암흑물질 탐색의 민감도를 크게 향상시킨다.

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.

연구 동기 및 목표

• 밀켈빈 온도에서 작동하는 악시온 할로스코프 실험에 적합한 저노이즈 마이크로파 앰프를 개발하기 위해.
• 악시온 탐지기의 스캐닝 속도를 제한하는 신호 탐지 체인의 추가 노이즈를 최소화하기 위해.
• 2.3 GHz에서 거의 양자한계 성능을 보이는 플럭스 구동형 JPA를 제1단계 앰프로 특성화하기 위해.
• 실제 악시온 탐색 설정에서 시스템 노이즈 온도(Tsys)를 최소 190 mK로 낮추어 표준 양자한계에 가까이 도달하기 위해.
• 최소한의 열적 및 전자적 노이즈를 갖춘 냉각 환경에서 앰프 성능을 검증하기 위해.

제안 방법

• JPA는 외부 자기장 플럭스를 통해 주파수를 조절할 수 있는 λ/4 공면파도로 연결된 초전도 큐브리드 인터페어런스 장치(SQUID) 기반이다.
• SQUID 루프에 플럭스 변조 펌프 톤을 사용하여 삼파동 혼합(펌프, 신호, 아이들러)을 통해 파라메트릭 앰프 작용을 구현한다.
• 앰프는 3단계 캐스케이드로 구성되며, JPA(제1단), 4 K에서 작동하는 두 개의 냉각된 HEMT 앰프로 구성되며, 노이즈 온도 기여도는 프리우스 공식을 사용해 모델링된다.
• 노이즈 온도는 50 mK에서 작동하는 노이즈 소스와 스펙트럼 분석기를 사용해 측정되며, 캘리브레이션은 JPA를 건너뛰기 위해 마이크로파 숏을 사용한다.
• 이론적 노이즈 전파 모델링에는 이득 항목(GJ, Gc, GL), 노이즈 소스(Snf, Sj), 및 역방향 전파 노이즈가 포함되며, 캐스케이드 앰프 방정식에서 총 출력 노이즈 전력이 유도된다.
• 시스템은 800 mK에서 기준 평면을 사용해 캘리브레이션되며, 총 이득(Gtot)과 노이즈 온도(Tn)를 피팅 매개변수로 하여 측정된 출력 전력에 이론 모델을 적합시킨다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 플럭스 구동형 JPA는 냉각 환경에서 2.3 GHz에서 거의 양자한계에 가까운 추가 노이즈 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ2 할로스코프 탐지 체인의 제1 앰프로 JPA를 사용할 경우 도달 가능한 최소 시스템 노이즈 온도(Tsys)는 얼마인가?
• RQ3 2.3 GHz에서 JPA의 노이즈 성능은 표준 양자한계(SQL)와 어떻게 비교되는가?
• RQ4 신호 체인의 손실이나 비이상적인 구성 요소로 인해 JPA의 성능이 얼마나 떨어지는가?
• RQ5 19 dB의 이득에서 작동하면서도 악시온 탐색 실험에서 빠른 주파수 스캐닝을 가능하게 하며, 낮은 추가 노이즈를 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 플럭스 구동형 JPA는 두 개의 4 K HEMT 앰프와 캐스케이드 연결된 상태에서 약 120 mK의 추가 노이즈 온도를 달성하였으며, 배치 온도가 50 mK일 때 총 시스템 노이즈 온도(Tsys)는 190 mK였다.
• 측정된 노이즈 온도 120 mK는 2.3 GHz에서 표준 양자한계(110 mK)와 10 mK 이내로, 거의 양자한계 성능임을 시사한다.
• 19 dB의 이득을 달성하면서도 최소한의 추가 노이즈를 보였으며, 50 mK에서의 다중 측정에서 노이즈 온도가 안정적이었다.
• 역방향 전파 노이즈와 구성 요소 손실을 포함한 캐스케이드 시스템의 이론적 모델은 측정된 출력 노이즈를 정확히 예측하여 노이즈 예산 접근법의 타당성을 검증했다.
• 2.2 GHz 이상 주파수에서 플럭스 노이즈에 대해 낮은 민감도를 보였으며, 코ils 전류 제어를 통해 공진 주파수를 2.18 GHz에서 2.309 GHz로 조절 가능했다.
• 총 이득 약 30 dB에서 노이즈 온도 120 mK를 달성하여, JPA가 악시온 할로스코프 실험에 효과적인 제1단 앰프임을 확인했다.