Rivelatori a induttanza cinetica (KIDs):sensori per la banda mm/FIRideali per applicazioni spaziali

M.G. Castellano3, I. Colantoni1, A. Coppolecchia1, A. Cruciani1,2, A. D’Addabbo4, P. de Bernardis1,2, 

S. Masi1,2, A. Paiella1,2, G. Presta1

1 ‐ Dipartimento di Fisica, Università di Roma Sapienza, Roma, Italy2 ‐ INFN, Sezione di Roma 1, Roma, Italy3 ‐ Istituto di fotonica e nanotecnologie (CNR), Roma, Italy4 ‐ Laboratori Nazionali del Gran Sasso (INFN), L’ Aquila, Italy

mm/FIR band ( 100 GHz – 10 THz )• The development of panoramic (many‐pixel) detectors in thisband is important because:

• in the mm/submm range there are important spectral signatures of many molecules and materials. 

• This is important in many fields, from remote sensing to astronomy.• Several materials become transparent, allowing for non‐destructive internal inspections.

• Applications (from the literature):• Astronomy: Study of interstellar medium• Cosmology: Study of the Cosmic Microwave Background• Physics: detection of rare events (CUORE)• Medical: Imaging devices to improve detection of some skin cancers• Art/Forensic: Non‐destructive investigation of internal paint layers• Industrial: Detection of hidden objects in manufacturing • Security: Detection of hidden objects in security screening• … and many more

350 GHz VIS Thermal IR

arXiv:1511.06011:  A passive THz video camera based on lumped element kinetic inductance detectors 

Linear array ofLumpedElementsKineticInductanceDetectors (KID)

cryostat

Optics & scanner

arXiv:1511.06011:  A passive THz video camera based on lumped element kinetic inductance detectors 

100 GHz – 10 THz : Three detection technologies• Coherent (consolidated, limited to the low‐end of the band)• Transition‐Edge Superconducting bolometers (consolidated)• Kinetic Inductance Detectors (emerging)

meV photons meV photons meV photons

antenna

probe

amplifier

rectifier

antenna

absorber

SuperConductingthermistor

antenna

SuperConductingresonator

W ‐> V

W ‐> R

W ‐> f

Coherent

TES

KID

MMIC LNAs (L‐band to W‐band)NRAO

T operation: 10Kf < 200 GHzFor large arrays:‐ Each pixel requires

one amplifier.‐ Very Expensive‐ Power hungry

Coherent TES

T operation: 0.1KOK at all f.  =1 msFor large arrays:‐ Can be replicated in 

thousands on the same wafer at negligible cost

‐ Complex production processing

‐ Multiplexing possible butcomplex

‐ Spider‐web absorber veryfragile 

KID

T operation: 0.1Kf>60 GHz.  =0.01 msFor large arrays:‐ Can be replicated in 

thousands on the samewafer at negligible cost

‐ Easier production processing

‐ Easy Multiplexing‐ Robust (no suspended

parts)

The CPs have zero DC resistance, but the reactance is non‐zero and has two distinctcontribution kinetic and magnetic L.

KIDs working principle:

In a superconductor below Tc , electrons can bind to form CPs with binding energy E=2=3.5*kbTc .

The total conductivity of the material can be estimated using the two‐fluid model

CPs

QPs

The values of ss and sn depend on the densities of QPs and CPs. By measuring them, we can get information on nqp .

Js Jn

‐is2nCP ‐is2nQP s1nQP

A better estimate of ss and sn is obtained using the Mattis Bardeen integrals:

A better theory...

Note that:

• Rs decreases exponentially

• Xs becomes constant

• Xs/ Rs grows exponentially

D. C. Mattis and J. Bardeen, in Phys Rev 111 (1958)

How do we actually measure the incoming radiation?

n′CP< nCP

QPs

CPs

• Suppose a photon hits the detector

• If its energy is high enough (h> E) it can break CPs

• The density of CPs therefore changes

• This leads to a variation of Lkin

The same effect can be accomplished by increasing the temperature of the superconductor

The readout is accomplished by monitoring the phase of the transmitted signal

Lf 10

How can we measure the small variations of Lk?The superconductor can be inserted in a resonating circuit with extremely high Q, since:

ss RXQ

The resonator is extremely simple to do, and consists of a shorted length of superconducting line capacitevely coupled to the feedline         l/4 resonator

Cc

RQPLkin

Lmag

Cl

KIDs are intrinsicallymultiplexable:

• Unitary transmission off resonance

• Q values very large (104 ‐106)

Multiplexing

Each resonator acts at the same time as detector and filter

Cnc

RnQPLnkin

Lnmag

Cnl

C1c

R1QPL1kin

L1mag

C1l

C2c

R2QPL2kin

L2mag

C2l

RF carrier (f 1 + f 2 + ... + f n )

Pixel 1, f 1 Pixel 2, f 2 Pixel n, f n

Two cables and one amplifier needed in the cryostat.

M. Calvo et al. Development of Kinetic Inductance Detectors for Cosmic Microwave Background experiments, Experimental Astronomy (2010) 28: 185–194

A. Paiella et al. [arXiv:1601.01466]. 

Cryogenic system overview

SCN‐CN coax

VNA / IQ mixers

2xDC block2xDC block2x10dB atten

1xDC block1xDC block1x10dB atten

KID

300K

30K

2K

300mK

SCN‐CN coax

SS‐SS coax

warm amplifier

cold amplifier

KIDs readout system

0.3K 2K

Re(S21)

Im(S21)

DAQ

fsynt

fsynt

PC

DAC

ADC

fsynt

fsynt ± f0 , fsynt ± f1...

f0, f1...

f0, f1...

fsynt ± f0 , fsynt ± f1...0.3K 2K

Re(S21)

Im(S21)

PC

DAC

ADC

fsynt

fsynt

f0, f1...

f0, f1...

fsynt ± f0 , fsynt ± f1...

2009‐2010 INFN gruppo II RIC – TN (FBK) + Sapienza

51011 .Q

Al LEKID : f > 95 GHz

Al LEKID : f > 95 GHz

Al/Ti LEKID : f > 60 GHz (W‐band)

KIDs in space ?• Very robust (single wafer, no machining, no membranes, no spider‐web)

• Fast: • Allow for fast scanning of the sky• Cosmic ray events last for tens of s and can be flagged and removed from the datastream, resulting in a negligible data loss

• Low‐power readout: a single FPGA can read 1000• Activities (space‐oriented):

• Space‐KIDs – FP7 (laboratory)• ESA‐ITT 1‐7393 (focal plane arrays)• Tests on stratospheric balloons (Adv.BLASTpol, Plan‐B, OLIMPO)

• ASI proposal KIDS (Kinetic Inductance Detectors in Space), Bando DC‐EOS‐2014‐309

Next Generation Sub‐millimetre Wave Focal Plane Array Coupling Concepts AO/1‐7393

Lens Wafer

Wafer

COrE: www.core-mission.org ESA-M5 (2030)