Superconducting membrane mechanical oscillator based on vacuum-gap capacitor

Using the diluted S1813 UV photoresist as a sacrificial layer, we successfully fabricate a superconducting suspended parallel-plate capacitor, in which the top layer of aluminum film acts as a membrane mechanical resonator. Together with a superconducting octagonal spiral inductor, this parallel-plate capacitor constitutes a superconducting microwave resonator. At m K temperature, the transmission characteristic and spectrum of the microwave resonator are measured.Sideband frequencies caused by the vibration of the membrane mechanical resonator are clearly demonstrated. By downconverting with a mixer, the dependence of fundamental frequency and its harmonics on the input microwave power are clearly demonstrated, which is consistent with the numerical simulation.     

基于悬空电容的机械振子的制备和表征

微机械振子在信息处理的研究领域有着重要的应用,我们采用超导材料铝制备了悬空电容,该悬空电容的上极板构成了微机械振子.悬空电容和螺旋电感一起构成LC振荡电路.微波通过平面波导传输线耦合进来,在LC电路中形成电磁振荡,同时,激励出薄膜机械振子的机械振动.本文详细介绍了采用稀释的光刻胶作牺牲层来制备悬空结构的方法,并通过测试,研究了悬空电容中的薄膜振动特性,为今后机械振子与微波场、光场甚至量子比特的相互耦合等研究工作提供了重要参考.     

3D-Transmon与压电振子的量子耦合系统北大核心

微机械振子在量子信息领域有着重要的应用,可用作量子存储器、量子换能器等.鉴于三维传输子量子比特(3D-Transmon)优良的退相干特性以及AlN压电振子较高的谐振频率,我们利用微纳加工技术,在蓝宝石基片上成功制备了3D-Transmon与AlN压电振子的量子耦合系统.实际测量结果显示,在外加磁场偏置下,量子比特的跃迁频率可调范围为4.1~9.8 GHz,能量弛豫时间T1约为4.7μs,并且测量到了能级免交叉现象.这些结果为今后超导量子比特与微机械振子耦合系统的深入研究提供了重要参考.     

Nb5 N6 microbolometer arrays for terahertz detection

A novel room-temperature microbolometer array chip consisting of an Nb5N6 thin film microbridge and a dipole planar antenna, which is used as a terahertz (THz) detector, is described in this paper. Due to the high-temperature coefficient of the resistance of the Nb5N6 thin film, which is as high as -0.7% K-1 , such an antenna-coupled microbolometer is ideal for detecting signals in a frequency range from 0.22THz to 0.33THz. The dc responsivity, calculated from the measured I-V curve of the Nb5N6 microbolometer, is about -760 V/W at a bias current of 0.19mA. A typical noise voltage as low as 10 nV/Hz 1/2 yields a low noise equivalent power (NEP) of 1.3×10-11W/Hz 1/2 at a modulation frequency above 4kHz, and the best RF responsivity, characterized using an infrared device measuring method, is about 580V/W, with the corresponding NEP being 1.7×10-11W/Hz 1/2 . In order to further test the performance of the Nb5N6 microbolometer, we construct a quasi-optical type receiver by attaching it to a hyperhemispherical silicon lens, and the result is that the best responsivity of the receiver is up to 320V/W. This work could offer another way to develop a large scale focal-plane array in silicon using simple techniques and at low cost.     

利用电容结构改善太赫兹信号与检测器的耦合

对于THz频段的检测器,当器件的尺寸远远小于检测信号的波长时,可以获得快速的响应速度,但耦合信号的能力会下降。为了提高检测器的信号耦合能力,需要借助天线收集信号。因此天线的性能直接决定着器件的响应频段及灵敏度等参数指标。六氮五铌(Nb5N6) 微测热辐射计太赫兹检测器采用平面集成天线的方式来耦合信号,平面天线通过微加工技术,经过光刻、剥离等过程,集成在基片上,Nb5N6置于平面天线的中心。针对0.32 THz的中心频率,尝试采用电容耦合信号的设计方法,提高了Nb5N6的信号耦合能力。     

六氮五铌微测热辐射计太赫兹阵列探测芯片研究

太赫兹技术在安检成像等领域具有重要的应用前景,然而当前太赫兹技术应用面临高灵敏度太赫兹探测器缺乏的困难,因此开发检测灵敏度高、响应速度快、可室温工作、便于集成超大规模阵列的探测芯片具有重要科学意义和实际应用价值。太赫兹波段的微测热辐射计(microbolometer)阵列芯片和红外相机读出电路兼容,是最先实现太赫兹相机的芯片,成为研制太赫兹相机的主流。我们研制的Nb_5N_6 microbolometer阵列器件,由于可常温工作、工艺简单、检测灵敏度高、响应速度快、便于集成超大规模阵列,受到了国际科学界和工业界的关注。就Nb_5N_6 microbolometer太赫兹阵列探测芯片在设计制备过程中遇到的一些关键技术问题,如衬底干涉效应、高效耦合结构设计、低噪声读出电路设计、及焦平面阵列与读出电路的封装集成等,进行介绍和总结,为大规模太赫兹阵列探测芯片的设计与制备提供参考。     

基于自制太赫兹检测器的快速成像系统

利用直径为30cm卡塞格伦反射镜搭建了一套反射式太赫兹(THz)主动成像装置,并成功运用0.22THz的辐射源在室温下进行成像。分别使用自行制备的Nb5N6微测热辐射计THz常温检测器和商用VDI检测器进行成像并对结果进行了分析。成像的物体是5根并排排列的铜棒,铜棒直径为1.4cm,间距为5cm。改变参考频率,扫描速度,将成像时间从15s减少到7.5s。成像的范围约为20cm×6.5cm。两种检测器的成像分辨率达到1.41cm。     

氮化铌纳米线光学特性

氮化铌(NbN)纳米线是超导纳米线单光子探测器(SNSPD)常用的光敏材料,其光学性质是影响SNSPD性能的关键因素.本文结合实验数据和仿真结果,系统研究了多种NbN超导纳米线探测器器件结构的光学特性,表征了以下四种器件结构下的反射光谱以及透射光谱:1)双面热氧化硅衬底背面对光结构;2)双面SiN硅衬底背面对光结构;3)硅衬底上以金层+SiN缓冲层为反射镜的正面对光结构;4)以分布式布拉格反射镜(DBR)为衬底的正面对光结构.并在上述四种器件结构基础上,生长了不同厚度的NbN薄膜,观察不同厚度NbN薄膜的吸收效率.经分析,发现在不同器件结构下的最佳NbN厚度与光吸收率的关系如下:双面热氧化硅衬底上的NbN层在1606 nm处最大吸收率为91.7%,其余结构在最佳NbN厚度条件下吸收率都能达到99%以上.其中双面SiN的硅衬底结构中最大吸收率为99.3%, Au+SiN为99.8%, DBR为99.9%.最后,将DBR器件实测结果与仿真结果进行了差异性分析.这些结果对高效率SNSPD设计与研制具有指导意义.     

三维传输子量子比特制备研究

研究了三维传输子(3D-transmon)量子比特的制备技术。采用电子束光刻技术制备亚微米双层胶悬空掩模,电子束斜蒸发技术制备Al/AlO_x/Al超导隧道结。将隧道结与三维谐振腔耦合,成功实现3D-transmon。在20 mK下测试了量子比特的能级跃迁频率、拉比振荡、能量弛豫时间t_1等性能,t_1约566 ns。t_1较短的原因是量子比特跃迁频率与三维谐振腔频率接近,耦合过紧。