Superconducting On-chip Fourier Transform Spectrometer

Abstract

The kinetic inductance effect is strongly nonlinear with applied current in NbTiN, TiN and NbN thin films. This can be utilized to realize novel devices. We present results from transmission lines made with these materials, where DC (current) control is used to modulate the phase velocity thereby enabling on-chip spectrometers. Utility of such compact spectrometers is discussed, along with their natural connection with parametric amplifiers.

This is a preview of subscription content, log in to check access.

Fig. 1
Fig. 2
Fig. 3
Fig. 4
Fig. 5
Fig. 6
Fig. 7
Fig. 8
Fig. 9

Notes

  1. 1.

    Maximum voltage applied was 1.84 V via 2.66 k\(\Omega\) resistor.

References

  1. 1.

    R. Parmenter, Nonlinear electrodynamics of super-conductors with a very small coherence distance, in RCA (Radio Corporation of America) Review (U.S.), vol. 23, p. 9 (1962)

  2. 2.

    A.J.A. Prober, D.F. Santavicca, L. Frunzio, G. Catelani, M.J. Rooks, A. Frydman, D.E. Prober, Tunable superconducting nanoinductors. Nanotechnology 21(44), 445202 (2010)

    Article  Google Scholar 

  3. 3.

    B. Ho Eom, P.K. Day, H.G. Leduc, J. Zmuidzinas, A wideband, low-noise superconducting amplifier with high dynamic range. Nat. Phys. 8, 623–627 (2012)

    Article  Google Scholar 

  4. 4.

    A. Kher, Superconducting Nonlinear Kinetic Inductance Devices. Ph.D. Thesis, California Institute of Technology (2017)

  5. 5.

    G. Che, S. Gordon, P. Day, C. Groppi, R. Jackson, H. Mani, P. Mauskopf, H. Surdi, G. Trichopoulos, M. Underhill, A superconducting phase shifter and traveling wave kinetic inductance parametric amplifier for W-band astronomy. ArXiv e-prints (Oct. 2017)

  6. 6.

    S.M. Anlage, H.J. Snortland, M.R. Beasley, A current controlled variable delay superconducting transmission line. IEEE Trans. Magn. 25, 1388–1391 (1989)

    ADS  Article  Google Scholar 

  7. 7.

    E. Schroeder, Development of Superconducting Nanowire Single Photon Detector Technologies for Advanced Applications. Ph.D. Thesis, Arizona State University (2018)

  8. 8.

    S. Hanany, M. Alvarez, E. Artis, P. Ashton, J. Aumont, R. Aurlien, R. Banerji, R. B. Barreiro, J. G. Bartlett, S. Basak, N. Battaglia, J. Bock, K. K. Boddy, M. Bonato, J. Borrill, F. Bouchet, F. Boulanger, B. Burkhart, J. Chluba, D. Chuss, S. E. Clark, J. Cooperrider, B. P. Crill, G. De Zotti, J. Delabrouille, E. Di Valentino, J. Didier, O. Doré, H. K. Eriksen, J. Errard, T. Essinger-Hileman, S. Feeney, J. Filippini, L. Fissel, R. Flauger, U. Fuskeland, V. Gluscevic, K. M. Gorski, D. Green, B. Hensley, D. Herranz, J. C. Hill, E. Hivon, R. Hložek, J. Hubmayr, B. R. Johnson, W. Jones, T. Jones, L. Knox, A. Kogut, M. López-Caniego, C. Lawrence, A. Lazarian, Z. Li, M. Madhavacheril, J.-B. Melin, J. Meyers, C. Murray, M. Negrello, G. Novak, R. O’Brient, C. Paine, T. Pearson, L. Pogosian, C. Pryke, G. Puglisi, M. Remazeilles, G. Rocha, M. Schmittfull, D. Scott, P. Shirron, I. Stephens, B. Sutin, M. Tomasi, A. Trangsrud, A. van Engelen, F. Vansyngel, I. K. Wehus, Q. Wen, S. Xu, K. Young, A. Zonca, PICO: probe of inflation and cosmic origins. arXiv:1902.10541 (Feb. 2019)

  9. 9.

    M. H. Abitbol, Z. Ahmed, D. Barron, R. B. Thakur, A. N. Bender, B. A. Benson, C. A. Bischoff, S. A. Bryan, J. E. Carlstrom, C. L. Chang, D. T. Chuss, K. T. Crowley, A. Cukierman, T. de Haan, M. Dobbs, T. Essinger-Hileman, J. P. Filippini, K. Ganga, J. E. Gudmundsson, N. W. Halverson, S. Hanany, S. W. Henderson, C. A. Hill, S.-P. P. Ho, J. Hubmayr, K. Irwin, O. Jeong, B. R. Johnson, S. A. Kernasovskiy, J. M. Kovac, A. Kusaka, A. T. Lee, S. Maria, P. Mauskopf, J. J. McMahon, L. Moncelsi, A. W. Nadolski, J. M. Nagy, M. D. Niemack, R. C. O’Brient, S. Padin, S. C. Parshley, C. Pryke, N. A. Roe, K. Rostem, J. Ruhl, S. M. Simon, S. T. Staggs, A. Suzuki, E. R. Switzer, O. Tajima, K. L. Thompson, P. Timbie, G. S. Tucker, J. D. Vieira, A. G. Vieregg, B. Westbrook, E. J. Wollack, K. W. Yoon, K. S. Young, E. Y. Young, CMB-S4 Technology Book, 1st edn (2017)

  10. 10.

    P. Serra, O. Doré, G. Lagache, Dissecting the high-z interstellar medium through intensity mapping cross-correlations. ApJ 833, 153 (2016)

    ADS  Article  Google Scholar 

  11. 11.

    B.A. Benson et al., SPT-3G: A next-generation cosmic microwave background polarization experiment on the south pole telescope. Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. 9153, 91531P (2014)

    Google Scholar 

  12. 12.

    S. Hailey-Dunsheath, E. Shirokoff, P. S. Barry, C. M. Bradford, G. Chattopadhyay, P. Day, S. Doyle, M. Hollister, A. Kovacs, H. G. LeDuc, P. Mauskopf, C. M. McKenney, R. Monroe, R. O’Brient, S. Padin, T. Reck, L. Swenson, C. E. Tucker, J. Zmuidzinas, “Status of SuperSpec: a broadband, on-chip millimeter-wave spectrometer,” in Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VII, vol. 9153 of Proc. SPIE, p. 91530M (Aug. 2014)

  13. 13.

    J. A. Grayson, P. A. R. Ade, Z. Ahmed, K. D. Alexander, M. Amiri, D. Barkats, S. J. Benton, C. A. Bischoff, J. J. Bock, H. Boenish, R. Bowens-Rubin, I. Buder, E. Bullock, V. Buza, J. Connors, J. P. Filippini, S. Fliescher, M. Halpern, S. Harrison, G. C. Hilton, V. V. Hristov, H. Hui, K. D. Irwin, J. Kang, K. S. Karkare, E. Karpel, S. Kefeli, S. A. Kernasovskiy, J. M. Kovac, C. L. Kuo, E. M. Leitch, M. Lueker, K. G. Megerian, V. Monticue, T. Namikawa, C. B. Netterfield, H. T. Nguyen, R. O’Brient, R. W. Ogburn, C. Pryke, C. D. Reintsema, S. Richter, R. Schwarz, C. Sorenson, C. D. Sheehy, Z. K. Staniszewski, B. Steinbach, G. P. Teply, K. L. Thompson, J. E. Tolan, C. Tucker, A. D. Turner, A. G. Vieregg, A. Wandui, A. C. Weber, D. V. Wiebe, J. Willmert, W. L. K. Wu, K. W. Yoon, “BICEP3 performance overview and planned Keck Array upgrade,” in Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy VIII, vol. 9914 of Proc. SPIE, p. 99140S (July 2016)

  14. 14.

    A. Crites, J. Bock, M. Bradford, B. Bumble, T.-C. Chang, Y.-T. Cheng, A. R. Cooray, S. Hailey-Dunsheath, J. Hunacek, C.-T. Li, R. O’Brient, E. Shirokoff, Z. Staniszewski, C. Shiu, B. Uzgil, M. B. Zemcov, G. Sun, “Measuring the Epoch of Reionization using [CII] Intensity Mapping with TIME-Pilot,” in American Astronomical Society Meeting Abstracts #229, vol. 229 of American Astronomical Society Meeting Abstracts, p. 125.01 (Jan. 2017)

  15. 15.

    J. Alves, F. Combes, A. Ferrara, T. Forveille, S. Shore, Planck 2015 results. A&A 594, E1 (2016)

    ADS  Article  Google Scholar 

  16. 16.

    J.C. Mather, E.S. Cheng, D.A. Cottingham, R.E. Eplee Jr., D.J. Fixsen, T. Hewagama, R.B. Isaacman, K.A. Jensen, S.S. Meyer, P.D. Noerdlinger, S.M. Read, L.P. Rosen, R.A. Shafer, E.L. Wright, C.L. Bennett, N.W. Boggess, M.G. Hauser, T. Kelsall, S.H. Moseley Jr., R.F. Silverberg, G.F. Smoot, R. Weiss, D.T. Wilkinson, Measurement of the cosmic microwave background spectrum by the COBE FIRAS instrument. ApJ 420, 439–444 (1994)

    ADS  Article  Google Scholar 

  17. 17.

    A. Kogut, J. Chluba, D. J. Fixsen, S. Meyer, D. Spergel, “The primordial inflation explorer (PIXIE),” in Space Telescopes and Instrumentation 2016: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, vol. 9904 of Proc. SPIE, p. 99040W (July 2016)

  18. 18.

    P. de Bernardis, P. A. R. Ade, J. J. A. Baselmans, E. S. Battistelli, A. Benoit, M. Bersanelli, A. Bideaud, M. Calvo, F. J. Casas, G. Castellano, A. Catalano, I. Charles, I. Colantoni, F. Columbro, A. Coppolecchia, M. Crook, G. D’Alessandro, M. De Petris, J. Delabrouille, S. Doyle, C. Franceschet, A. Gomez, J. Goupy, S. Hanany, M. Hills, L. Lamagna, J. Macias-Perez, B. Maffei, S. Martin, E. Martinez-Gonzalez, S. Masi, D. McCarthy, A. Mennella, A. Monfardini, F. Noviello, A. Paiella, F. Piacentini, M. Piat, G. Pisano, G. Signorelli, C. Y. Tan, A. Tartari, N. Trappe, S. Triqueneaux, C. Tucker, G. Vermeulen, K. Young, M. Zannoni, A. Achúcarro, R. Allison, M. Ashdown, M. Ballardini, A. J. Banday, R. Banerji, J. Bartlett, N. Bartolo, S. Basak, A. Bonaldi, M. Bonato, J. Borrill, F. Bouchet, F. Boulanger, T. Brinckmann, M. Bucher, C. Burigana, A. Buzzelli, Z. Y. Cai, C. S. Carvalho, A. Challinor, J. Chluba, S. Clesse, G. De Gasperis, G. De Zotti, E. Di Valentino, J. M. Diego, J. Errard, S. Feeney, R. Fernandez-Cobos, F. Finelli, F. Forastieri, S. Galli, R. Génova-Santos, M. Gerbino, J. González-Nuevo, S. Hagstotz, J. Greenslade, W. Handley, C. Hernández-Monteagudo, C. Hervias-Caimapo, E. Hivon, K. Kiiveri, T. Kisner, T. Kitching, M. Kunz, H. Kurki-Suonio, A. Lasenby, M. Lattanzi, J. Lesgourgues, A. Lewis, M. Liguori, V. Lindholm, G. Luzzi, C. J. A. P. Martins, A. Melchiorri, J. B. Melin, D. Molinari, P. Natoli, M. Negrello, A. Notari, D. Paoletti, G. Patanchon, L. Polastri, G. Polenta, A. Pollo, V. Poulin, M. Quartin, M. Remazeilles, M. Roman, J. A. Rubiño-Martín, L. Salvati, M. Tomasi, D. Tramonte, T. Trombetti, J. Väliviita, R. Van de Weijgaert, B. van Tent, V. Vennin, P. Vielva, N. Vittorio, and for the CORE collaboration, “Exploring Cosmic Origins with CORE: The Instrument,” ArXiv e-prints (May 2017)

  19. 19.

    P. André, C. Baccigalupi, A. Banday, D. Barbosa, B. Barreiro, J. Bartlett, N. Bartolo, E. Battistelli, R. Battye, G. Bendo, A. Benoît, J.-P. Bernard, M. Bersanelli, M. Béthermin, P. Bielewicz, A. Bonaldi, F. Bouchet, F. Boulanger, J. Brand, M. Bucher, C. Burigana, Z.-Y. Cai, P. Camus, F. Casas, V. Casasola, G. Castex, A. Challinor, J. Chluba, G. Chon, S. Colafrancesco, B. Comis, F. Cuttaia, G. D’Alessandro, A. Da Silva, R. Davis, M. de Avillez, P. de Bernardis, M. de Petris, A. de Rosa, G. de Zotti, J. Delabrouille, F.-X. Désert, C. Dickinson, J.M. Diego, J. Dunkley, T. Enßlin, J. Errard, E. Falgarone, P. Ferreira, K. Ferrière, F. Finelli, A. Fletcher, P. Fosalba, G. Fuller, S. Galli, K. Ganga, J. García-Bellido, A. Ghribi, M. Giard, Y. Giraud-Héraud, J. Gonzalez-Nuevo, K. Grainge, A. Gruppuso, A. Hall, J.-C. Hamilton, M. Haverkorn, C. Hernandez-Monteagudo, D. Herranz, M. Jackson, A. Jaffe, R. Khatri, M. Kunz, L. Lamagna, M. Lattanzi, P. Leahy, J. Lesgourgues, M. Liguori, E. Liuzzo, M. Lopez-Caniego, J. Macias-Perez, B. Maffei, D. Maino, A. Mangilli, E. Martinez-Gonzalez, C.J.A.P. Martins, S. Masi, M. Massardi, S. Matarrese, A. Melchiorri, J.-B. Melin, A. Mennella, A. Mignano, M.-A. Miville-Deschênes, A. Monfardini, A. Murphy, P. Naselsky, F. Nati, P. Natoli, M. Negrello, F. Noviello, C. O’Sullivan, F. Paci, L. Pagano, R. Paladino, N. Palanque-Delabrouille, D. Paoletti, H. Peiris, F. Perrotta, F. Piacentini, M. Piat, L. Piccirillo, G. Pisano, G. Polenta, A. Pollo, N. Ponthieu, M. Remazeilles, S. Ricciardi, M. Roman, C. Rosset, J.-A. Rubino-Martin, M. Salatino, A. Schillaci, P. Shellard, J. Silk, A. Starobinsky, R. Stompor, R. Sunyaev, A. Tartari, L. Terenzi, L. Toffolatti, M. Tomasi, N. Trappe, M. Tristram, T. Trombetti, M. Tucci, R. Van de Weijgaert, B. Van Tent, L. Verde, P. Vielva, B. Wandelt, R. Watson, S. Withington, PRISM (Polarized Radiation Imaging and Spectroscopy Mission): an extended white paper. JCAP 2, 006 (2014)

    ADS  Article  Google Scholar 

  20. 20.

    A. Suzuki, P. A. R. Ade, Y. Akiba, D. Alonso, K. Arnold, J. Aumont, C. Baccigalupi, D. Barron, S. Basak, S. Beckman, J. Borrill, F. Boulanger, M. Bucher, E. Calabrese, Y. Chinone, S. Cho, A. Cukierman, D. W. Curtis, T. de Haan, M. Dobbs, A. Dominjon, T. Dotani, L. Duband, A. Ducout, J. Dunkley, J. M. Duval, T. Elleflot, H. K. Eriksen, J. Errard, J. Fischer, T. Fujino, T. Funaki, U. Fuskeland, K. Ganga, N. Goeckner-Wald, J. Grain, N. W. Halverson, T. Hamada, T. Hasebe, M. Hasegawa, K. Hattori, M. Hattori, L. Hayes, M. Hazumi, N. Hidehira, C. A. Hill, G. Hilton, J. Hubmayr, K. Ichiki, T. Iida, H. Imada, M. Inoue, Y. Inoue, K. D., H. Ishino, O. Jeong, H. Kanai, D. Kaneko, S. Kashima, N. Katayama, T. Kawasaki, S. A. Kernasovskiy, R. Keskitalo, A. Kibayashi, Y. Kida, K. Kimura, T. Kisner, K. Kohri, E. Komatsu, K. Komatsu, C. L. Kuo, N. A. Kurinsky, A. Kusaka, A. Lazarian, A. T. Lee, D. Li, E. Linder, B. Maffei, A. Mangilli, M. Maki, T. Matsumura, S. Matsuura, D. Meilhan, S. Mima, Y. Minami, K. Mitsuda, L. Montier, M. Nagai, T. Nagasaki, R. Nagata, M. Nakajima, S. Nakamura, T. Namikawa, M. Naruse, H. Nishino, T. Nitta, T. Noguchi, H. Ogawa, S. Oguri, N. Okada, A. Okamoto, T. Okamura, C. Otani, G. Patanchon, G. Pisano, G. Rebeiz, M. Remazeilles, P. L. Richards, S. Sakai, Y. Sakurai, Y. Sato, N. Sato, M. Sawada, Y. Segawa, Y. Sekimoto, U. Seljak, B. D. Sherwin, T. Shimizu, K. Shinozaki, R. Stompor, H. Sugai, H. Sugita, J. Suzuki, O. Tajima, S. Takada, R. Takaku, S. Takakura, S. Takatori, D. Tanabe, E. Taylor, K. L. Thompson, B. Thorne, T. Tomaru, T. Tomida, N. Tomita, M. Tristram, C. Tucker, P. Turin, M. Tsujimoto, S. Uozumi, S. Utsunomiya, Y. Uzawa, F. Vansyngel, I. K. Wehus, B. Westbrook, M. Willer, N. Whitehorn, Y. Yamada, R. Yamamoto, N. Yamasaki, T. Yamashita, M. Yoshida, “The LiteBIRD Satellite Mission - Sub-Kelvin Instrument,” ArXiv e-prints (Jan. 2018)

  21. 21.

    T. Matsumura, Y. Akiba, J. Borrill, Y. Chinone, M. Dobbs, H. Fuke, M. Hasegawa, K. Hattori, M. Hattori, M. Hazumi, W. Holzapfel, Y. Hori, J. Inatani, M. Inoue, Y. Inoue, K. Ishidoshiro, H. Ishino, H. Ishitsuka, K. Karatsu, S. Kashima, N. Katayama, I. Kawano, A. Kibayashi, Y. Kibe, K. Kimura, N. Kimura, E. Komatsu, M. Kozu, K. Koga, A. Lee, H. Matsuhara, S. Mima, K. Mitsuda, K. Mizukami, H. Morii, T. Morishima, M. Nagai, R. Nagata, S. Nakamura, M. Naruse, T. Namikawa, K. Natsume, T. Nishibori, K. Nishijo, H. Nishino, A. Noda, T. Noguchi, H. Ogawa, S. Oguri, I. S. Ohta, N. Okada, C. Otani, P. Richards, S. Sakai, N. Sato, Y. Sato, Y. Segawa, Y. Sekimoto, K. Shinozaki, H. Sugita, A. Suzuki, T. Suzuki, O. Tajima, S. Takada, S. Takakura, Y. Takei, T. Tomaru, Y. Uzawa, T. Wada, H. Watanabe, Y. Yamada, H. Yamaguchi, N. Yamasaki, M. Yoshida, T. Yoshida, K. Yotsumoto, “LiteBIRD: mission overview and design tradeoffs,” in Space Telescopes and Instrumentation 2014: Optical, Infrared, and Millimeter Wave, vol. 9143 of Proc. SPIE, p. 91431F (Aug. 2014)

  22. 22.

    J. P. Filippini, P. A. R. Ade, M. Amiri, S. J. Benton, R. Bihary, J. J. Bock, J. R. Bond, J. A. Bonetti, S. A. Bryan, B. Burger, H. C. Chiang, C. R. Contaldi, B. P. Crill, O. Doré, M. Farhang, L. M. Fissel, N. N. Gandilo, S. R. Golwala, J. E. Gudmundsson, M. Halpern, M. Hasselfield, G. Hilton, W. Holmes, V. V. Hristov, K. D. Irwin, W. C. Jones, C. L. Kuo, C. J. MacTavish, P. V. Mason, T. E. Montroy, T. A. Morford, C. B. Netterfield, D. T. O’Dea, A. S. Rahlin, C. D. Reintsema, J. E. Ruhl, M. C. Runyan, M. A. Schenker, J. A. Shariff, J. D. Soler, A. Trangsrud, C. Tucker, R. S. Tucker, A. D. Turner, “SPIDER: a balloon-borne CMB polarimeter for large angular scales,” in Millimeter, Submillimeter, and Far-Infrared Detectors and Instrumentation for Astronomy V, vol. 7741 of Proc. SPIE, p. 77411N (July 2010)

  23. 23.

    The EBEX Collaboration, M. Abitbol, A. M. Aboobaker, P. Ade, D. Araujo, F. Aubin, C. Baccigalupi, C. Bao, D. Chapman, J. Didier, M. Dobbs, S. M. Feeney, C. Geach, W. Grainger, S. Hanany, K. Helson, S. Hillbrand, G. Hilton, J. Hubmayr, K. Irwin, A. Jaffe, B. Johnson, T. Jones, J. Klein, A. Korotkov, A. Lee, L. Levinson, M. Limon, K. MacDermid, A. D. Miller, M. Milligan, K. Raach, B. Reichborn-Kjennerud, C. Reintsema, I. Sagiv, G. Smecher, G. S. Tucker, B. Westbrook, K. Young, K. Zilic, “The EBEX Balloon Borne Experiment - Detectors and Readout,” ArXiv e-prints (Mar. 2018)

  24. 24.

    L. M. Fissel, P. Ade, F. E. Angilè, P. Campbell Ashton, J. E. Austermann, T. Billings, G. Che, H.-M. Cho, M. R. Cunningham, K. Davis, M. J. Devlin, S. Dicker, B. Dober, Y. Fukui, N. Galitzki, j. gao, S. Gordon, C. E. Groppi, S. Hillbrand, G. Hilton, H. Hubmayr, K. Irwin, P. Jones, J. Klein, d. li, Z.-Y. Li, n. lourie, I. Lowe, H. Mani, P. G. Martin, P. Mauskopf, C. McKenney, F. Nati, G. Novak, E. Pascale, g. pisano, F. Pereira Santos, D. Scott, A. Sinclair, J. Diego Diego Soler, c. tucker, M. Underhill, M. Vissers, P. Williams, “BLAST-TNG: A Next Generation Balloon-borne Large Aperture Submillimeter Polarimeter,” in American Astronomical Society Meeting Abstracts #229, vol. 229 of American Astronomical Society Meeting Abstracts, p. 133.06 (Jan. 2017)

Download references

Acknowledgements

We thank Caltech/JPL Professors J. Bock, S. Golwala, T. C. Chang and O. Dore for helpful discussions in the early stages of this project and H. G. LeDuc and JPL staff for device fabrication.

Author information

Affiliations

Authors

Corresponding author

Correspondence to R. Basu Thakur.

Additional information

Publisher's Note

Springer Nature remains neutral with regard to jurisdictional claims in published maps and institutional affiliations.

Rights and permissions

Reprints and Permissions

About this article

Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Basu Thakur, R., Klimovich, N., Day, P.K. et al. Superconducting On-chip Fourier Transform Spectrometer. J Low Temp Phys (2020). https://doi.org/10.1007/s10909-020-02490-7

Download citation

Keywords

  • Cosmology
  • CMB
  • Kinetic inductance
  • Parametric amplifier
  • Interferometer
  • Spectrometer
  • FTS