超伝導検出器 MKID におけるTLS ノイズの抑制研究
京⼤理

末野 慶徳

⼤⾕知⾏（理研） ⼩栗秀悟（JAXA）沓間弘樹（理研）
鈴⽊惇也 ⽥島治 本多俊介（IAC） 美⾺覚（理研）

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超伝導検出器

Δ半導体

1/1000Δ

超伝導体

⾼いエネルギー分解能での放射線計測

低いエネルギー閾値

超伝導 vs 半導体

ミリ波計測 ( ≈ 100 GHz)

M. Ohno et al., IEICE Trans. Electron. Vol. E100-C, No. 3, pp.283-290 (2017)

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CMB実験GroundBIRD⽤の検出器アレイ

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MKID (Microwave Kinetic Inductance Detector)• 超伝導体を⽤いた共振器 (< 400 mK)• 低いギャップエネルギー : ≳ 0.4 𝑚𝑒𝑉 (≳ 100 𝐺𝐻𝑧)
• 時間応答が早い : (≃ 100𝜇𝑠)
共振周波数周辺の透過率• 多重化が容易 : (≈ 1000 𝑐ℎ/𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒)
アンテナ
透過率200 kHz

超伝導共振器Credit : SRON
読み出し線

共振周波数
4.1996

4.24.2004

周波数 [GHz]

ADC
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マイクロ波(4-8 GHz)で共振をモニターする

DAC
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MKID (Microwave Kinetic Inductance Detector)• 超伝導体を⽤いた共振器 (< 400 mK)

信号• 低いギャップエネルギー : ≳ 0.4 𝑚𝑒𝑉 (≳ 100 𝐺𝐻𝑧)
• 時間応答が早い : (≃ 100𝜇𝑠)
共振周波数周辺の透過率• 多重化が容易 : (≈ 1000 𝑐ℎ/𝑐𝑎𝑏𝑙𝑒)
アンテナ
透過率

超伝導共振器

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𝛿𝐴, 𝛿𝜃

Credit : SRON
読み出し線

ADC・

マイクロ波(4-8 GHz)で共振をモニターする

4.1996・4.2

周波数[GHz][Hz]周波数4.2004DAC
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超伝導検出器の多素⼦化共振器の⻑さ

透過率共振器の⻑さ

透過率測定
周波数 [MHz] + 4GHz

共振周波数 ∝ 1/ (共振器の⻑さ)

周波数空間で容易に多素⼦化できる！
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MKIDのノイズ成分

パワースペクトル密度共振周波数• 量⼦ノイズ• TLS ノイズ
• リードアウトノイズ
共振周波数での時系列データ
Good
フーリエ変換2021/9/28

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TLSノイズの問題点
TLSノイズ : ⼤ノイズの⼤きさ
TLS
ノイズ

⾮ホワイトノイズ
成分が卓越

量⼦ノイズ
周波数

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TLSノイズの問題点
TLSノイズ : ⼤TLSノイズ : ⼩ノイズの⼤きさ

ノイズの⼤きさTLSノイズ量⼦ノイズ
周波数

周波数

TLSノイズを低減する⼿法の確⽴➡さまざまな分野への応⽤！
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8TLS (Two Level System)ノイズ• 誘電体、超伝導体表⾯で２つのエネルギー準位を持つことに由来• 読み出しRFの電場と相互作⽤し、ノイズとなる

電場
芯線

GND

Credit : SRON
GND

読み出しRF

芯線

GND

Exited state
超伝導⾦属

誘電体(シリコン)

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Excitationand de-excitonof electrons

Ground state
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9構造と電場密度
電場

読み出し線

構造を広くすることで電場密度を下げ
TLSノイズを抑制する。
電場

⾦属膜(グランド)

⾦属膜(芯線)

グランド

誘電体
読み出し線

断⾯図
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上から⾒た図FPWS 2021 Yoshinori SUENO

10構造の⽐較
幅広デザイン

従来デザイン

理研テラヘルツイメージング研究チーム製作

配線幅 : 4 倍 ó 電場密度 : 1/4
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TLSノイズの評価⼿法'!
𝑃𝑆𝐷!"# ∝ 𝑁!"# ×𝑃$%& ×𝑓 '"𝑁!"# , 𝛼$ , 𝛼% を求めて
TLSノイズを評価• 読み出しRFのパワー(𝑃!"#$)を変え、内部に蓄えられるパワー(𝑃%&' )を変化させた時のPSDから、TLSの特性を評価

𝑃&'(周波数2021/9/28

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TLSノイズ 𝑃./0 依存性
周波数は固定従来デザイン

幅広デザイン• TLSノイズが抑制できていることを確認• それぞれのMKIDで𝑵𝐓𝐋𝐒 , 𝜶𝑷 を求めた
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TLSノイズ : 周波数依存性

ノイズの⼤きさ従来デザイン𝑃)*+ は固定

100 Hz

幅広デザイン
2000 Hz 周波数• TLSノイズが抑制できていることを確認• それぞれのMKIDで𝑵𝐓𝐋𝐒 , 𝜶𝒇 を求めた
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実際の応⽤例• CMB観測実験GroundBIRDでのノイズシミュレーション• 観測に使⽤したい周波数帯域でTLSノイズを量⼦ノイズより⼩さくするシミュレーション
観測に使⽤したい領域
TLSノイズの平均値
（従来）

量⼦ノイズ
リードアウトノイズ
TLSノイズの平均値（幅広）

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まとめ
• 超伝導検出器MKIDは超⾼感度で多素⼦化が容易な検出器• TLSノイズを抑制するデザインを考案• ⾮ホワイトノイズ成分であるTLSノイズの特性を評価した• 期待通りの抑制性能を確認 ( 〜1/4倍)

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CMBの観測⼿法
時系列データ

強度マップ＋ 視線⽅向

フーリエ変換パワースペクトルCredit : WMAPℓ ℓ + 1 𝐶ℓ
[𝜇𝐾 " ]2𝜋

視野⾓ [deg]

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クライオスタット内部配線
遮光シールド
MKID

SC-219/50

SC-219/50

10dB
アテネータ

3rd ステージ(300mK)

遮光シールド(0.3K)
10dB
アテネータ

低温アンプ

SC-160/50-NbTi-NbTi

超伝導ケーブル

SC-086/50-CN-CN

Circulator

2nd stage (4K)

SC-219/50

SC-219/50

低温アンプ
LNA+40dB

DC Block2nd ステージ(4K)

20dB
アテネータ

1st stage (40K)
20dB
アテネータ

SC-119/50-CN-CN

3rd ステージ(300mK)

真空容器 (300K)

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真空容器(室温)

読み出しRFFPWS 2021 Yoshinori SUENO

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ハイブリッドMKID• 読み出し線側にTLSノイズの少ないニオブ• アンテナ側にCMBに感度を有するアルミ位置アルミ

インダクタンス磁場 に感度がある
超伝導共振器ニオブCredit : SRON

読み出し線

電場

TLSノイズに感度がある

強度

TLSノイズを抑制するためのデザイン
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超伝導検出器の多素⼦化
冷凍機

超伝導検出器< (400 mK)

室温読み出し回路
配線

⾼感度化のために数を増やしたい
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冷やすために配線の数を減らしたい
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超伝導検出器の多素⼦化共振器の⻑さ

共振器の⻑さ各共振周波数で透過率測定共振周波数 ∝ 1/ (共振器の⻑さ)
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超伝導検出器の多素⼦化共振器の⻑さ

共振器の⻑さ信号・各共振周波数で透過率測定

・共振周波数 ∝ 1/ (共振器の⻑さ)
A&A jochem 1000 KIDs を⾒せる？
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超伝導検出器の多素⼦化共振器の⻑さ

共振器の⻑さ信号・各共振周波数で透過率測定

・共振周波数 ∝ 1/ (共振器の⻑さ)
A&A jochem 1000 KIDs を⾒せる？
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ジオメトリの違い

WSW
d

⾦属
誘電体

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サイエンスバンドとTLSノイズ
TLSノイズ : ⼤TLSノイズ : ⼩‘‘サイエンスバンド’’

ノイズの⼤きさ

ノイズの⼤きさ‘‘サイエンスバンド’’

TLS
ノイズ
量⼦ノイズ
周波数𝑓)*#& 𝑓(&"" 𝑓)#+,-"
GroundBIRDでは𝑓(&"" 𝑓)*#&𝑓)#+,-"

望遠鏡への要求• 𝑓'()* ~0.3 𝐻𝑧• 𝑓')+,-. ~1 𝑘𝐻𝑧
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周波数𝑓/*.. < 0.3 𝐻𝑧
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現状 : 𝑓#$%% = 数Hz25

𝑓1233 の推定• 求めた𝑁./0 , 𝛼1 , 𝛼2 から観測時の𝑓(&"" を推定
シミュレーション𝒇𝐬𝐜𝐚𝐧
従来デザイン

TLSノイズの平均値（従来）

𝑓/*.. = 8 Hz

量⼦ノイズ
リードアウトノイズ

幅広デザイン

TLSノイズの平均値（幅広）

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𝑓/*.. = 0.2 Hz
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