ETD

• Josephson Escape Sensors
• Transition Edge Sensors

This thesis focuses on the design, the fabrication and the characterization of the active region for detectors such as Transition Edge Sensors (TES) and Josephson Escape Sensors (JES) in the form of superconducting Al/Cu bilayer nanowires. TESs are extremely sensitive superconducting thermometers operating at the critical temperature Tc. JESs are one-dimensional nanowires which operate in the superconducting state and whose transition is governed by the overcoming of the washboard potential barrier, resulting in a reduction of noise. Samples were fabricated with a Cu thickness varying between 12 nm and 18 nm (with Al fixed at 15 nm) and widths ranging from approximately 300 nm to 1.6 µm, by means of electron beam lithography, RIE, and thermal evaporation. Transport measurements at cryogenic temperatures (~20 mK) showed the independence of Tc from the wire width, the linear dependence of the critical current on the width and the possibility of in situ tuning of the transition temperature via the bias current. Furthermore, the dimensional crossover between the 2D and 1D regimes was identified through the BKT and RSJ models, classifying the 314 nm wire as operating in the 1D regime. Finally, the figures of merit of the detectors were estimated, showing a NEP of 10^-24 W/Hz^1/2 and a δν of 5 GHz in JES mode.

Questa tesi si occupa del disegno, della fabbricazione e della caratterizzazione della regione attiva dei rivelatori quali Transition Edge Sensor (TES) e Josephson Escape Sensor (JES) nella forma di nanofili superconduttivi costituiti da un bilayer Al/Cu. I TES sono termometri superconduttivi ad altissima sensibilità che operano alla temperatura critica Tc. I JES sono nanofili unidimensionali che operano nello stato superconduttivo e la cui transizione è governata dal superamento della barriera di potenziale washboard, con conseguente riduzione del rumore. Sono stati fabbricati campioni con spessore di Cu variabile tra 12 nm e 18 nm (Al fissato a 15 nm) e larghezze comprese tra circa 300 nm e 1.6 µm mediante litografia a fascio elettronico, RIE ed evaporazione termica. Le misure di trasporto a temperature criogeniche (~20 mK) hanno mostrato l'indipendenza di Tc dalla larghezza del filo, la dipendenza lineare della corrente critica dalla larghezza e la possibilità di modificare in situ la temperatura di transizione tramite la corrente di bias. È stato inoltre identificato il crossover dimensionale 2D/1D tramite i modelli BKT e RSJ, classificando il filo da 314 nm come operante in regime 1D. Infine, sono state stimate le figure di merito dei detector, mostrando un NEP di 10^-24 W/Hz^1/2 e una δν di 5 GHz in modalità JES.