MARC

 008250123s2024        us                              c    eng  d
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■020    ▼a9798384423386
■035    ▼a(MiAaPQ)AAI31482686
■040    ▼aMiAaPQ▼cMiAaPQ
■0820  ▼a530
■1001  ▼aCai,  Jingnan.▼0(orcid)0000-0002-4721-8459
■24510▼aNext-Generation  Superconducting  Metamaterials:  Characterization  of  Superconducting  Resonators  and  Study  of  Strongly  Coupled  Superconducting  Quantum  Interference  Meta-Atoms
■260    ▼a[Sl]▼bUniversity  of  Maryland,  College  Park▼c2024
■260  1▼aAnn  Arbor▼bProQuest  Dissertations  &  Theses▼c2024
■300    ▼a268  p
■500    ▼aSource:  Dissertations  Abstracts  International,  Volume:  86-03,  Section:  B.
■500    ▼aAdvisor:  Anlage,  Steven  M.
■5021  ▼aThesis  (Ph.D.)--University  of  Maryland,  College  Park,  2024.
■520    ▼aMetamaterials  are  artificial  structures  consisting  of  sub-wavelength  'atoms'  with  engineered  electromagnetic  properties  that  create  exotic  light-matter  interactions  through  the  effective  medium  approximation.  Since  the  early  2000s,  superconductors  have  been  incorporated  into  a  variety  of  structures  to  achieve  tunable,  low-loss,  and  nonlinear  metamaterials,  and  have  enabled  applications  such  as  negative  index  of  refraction,  near  zero  permittivity,  and  parametric  amplification.  We  have  designed,  fabricated  and  characterized  two  types  of  superconducting  metamaterials  based  on  the  quantum  three-junction  flux  qubits  and  classical  radio  frequency  superconducting  quantum  interference  devices  (rf  SQUIDs).The  coplanar  waveguide  resonators  hosting  the  qubit  meta-atoms  exhibit  anomalous  reduction  in  loss  in  microwave  transmission  measurements  at  low  rf  excitation  levels  upon  decreasing  temperature  below  40  mK.  In  contrast,  the  well-known  standard  tunneling  model  (STM)  of  the  two-level  system  (TLS),  believed  to  be  the  dominant  source  of  loss  at  low  temperatures,  predicts  a  loss  increasing  then  saturating  with  lowering  temperatures.  This  anomalous  loss  reduction  is  attributed  to  the  discrete  nature  of  an  ensemble  of  TLSs  in  the  resonator.  As  temperature  decreases,  the  individual  TLS  response  bandwidth  reduces  with  their  coherence  rate  Γ2  ∼  T,  creating  less  overlap  between  neighboring  TLSs  in  the  energy  spectrum.  This  effective  reduction  in  the  density  of  states  around  the  probe  frequency  is  responsible  for  the  observed  lower  loss  at  low  rf  excitation  levels  and  low  temperatures  as  compared  to  the  STM  prediction.  We  also  incorporate  the  discrete  TLS  ansatz  with  the  generalized  tunneling  model  proposed  by  Faoro  and  Ioffe  [PRL  2012,  109,  157005  and  PRB  2015,  91,  014201]  to  fit  the  experimental  data  over  a  wide  range  of  temperatures  and  rf  excitation  powers.  The  resulting  goodness  of  fit  is  better  than  all  common  alternative  explanations  for  the  observed  phenomenon.Metamaterials  made  of  large  arrays  of  hysteretic  (βrf=  Lgeo/LJJ    1)  classical  rf  SQUIDs  are  also  designed  and  characterized  in  microwave  transmission  measurements,  where  we  observed  the  SQUID  self-resonances  tuning  with  applied  dc  and  rf  magnetic  flux,  as  well  as  temperature.  The  resonance  features  are  tuned  with  dc  flux  in  integers  of  the  flux  quantum,  as  expected.  Due  to  the  phenomenon  of  multistability  present  in  the  large  system,  the  resonance  bands  can  cross  those  from  adjacent  dc  flux  periodicities  resulting  in  hysteresis  in  dc  flux  sweeps,  which  is  observed  in  the  experiment.  Furthermore,  we  developed  a  new  three-dimensional  architecture  of  rf  SQUID  metamaterials  where  the  nearest-neighbor  SQUID  loops  overlap.  The  resulting  capacitive  coupling  dramatically  changes  the  response  by  introducing  many  more  resonance  bands  that  spread  over  a  broad  range  of  frequencies,  the  upper  limit  of  which  is  much  higher  than  the  single-layer  counterparts.  A  resistively  and  capacitively  shunted  junction  (RCSJ)  model  with  additional  capacitive  coupling  between  SQUIDs  is  proposed  and  successfully  attributes  the  high  frequency  bands  to  the  displacement  current  loops  formed  between  the  overlapping  wiring  of  neighboring  SQUIDs.  The  capacitively-coupled  rf  SQUID  metamaterial  is  relevant  to  the  design  of  single-flux-quantum-based  superconducting  digital  electronic  circuits,  which  has  adopted  three-dimensional  wiring  to  reduce  the  circuit  footprint.
■590    ▼aSchool  code:  0117.
■650  4▼aPhysics
■650  4▼aApplied  physics
■650  4▼aMaterials  science
■653    ▼aMetamaterial
■653    ▼aSQUID
■653    ▼aSuperconductivity
■653    ▼aTwo  level  systems
■690    ▼a0605
■690    ▼a0794
■690    ▼a0215
■71020▼aUniversity  of  Maryland,  College  Park▼bPhysics.
■7730  ▼tDissertations  Abstracts  International▼g86-03B.
■790    ▼a0117
■791    ▼aPh.D.
■792    ▼a2024
■793    ▼aEnglish
■85640▼uhttp://www.riss.kr/pdu/ddodLink.do?id=T17163029▼nKERIS▼z이  자료의  원문은  한국교육학술정보원에서  제공합니다.

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