This Thesis focuses on the development of superconducting lumped element resonators (LERs) for applications in astrophysical instrumentation and molecular spin-based quantum processors. Superconducting resonators are key components in both fields due to their unique ability to operate with minimal energy dissipation and high sen sitivity. These features make them ideal for detecting weak electromagnetic signals and enabling precise manipulation of quantum states. In particular, LERs, composed of series inductive and capacitive components coupled to a 50Ω transmission line, offer unique advantages, such as the ability to couple multiple resonators to a single transmission line and independently control their electrical parameters to suit spe cific applications. This work aims to optimize LERs development including design, fabrication and characterization techniques to meet the specific demands of these two applications. An overview and additional details about these two technological applications are provided in Chapter 1.
Chapter 2 introduces the fundamental principles of superconductivity, focusing on the behavior of Cooper pairs and quasiparticles, which are crucial to the operation of superconducting resonators. The theoretical framework is extended to the electrodynamics of superconductors, exploring how external factors such as temperature, power, current and magnetic fields impact the resonator performance. Specifically, it is analyzed how these factors influence kinetic inductance and the resonator’s energy losses. In addition to this, the Thesis covers the electromagnetic theory behind resonators, discussing both lumped and distributed resonator configurations. The main parameters that govern resonator response, such as resonance frequency, quality factor and coupling strength, are explained.
Chapter 3 covers the experimental methods used during this work. Detailed descriptions of the nanofabrication procedures are provided, as these methods play a crucial role in developing superconducting resonators with the desired properties. Thinfilm deposition techniques and lithographic processes are employed, ensuring highquality superconducting performance with minimal losses. This chapter also presents key characterization techniques-primarily operating at cryogenic temperatures-, which are essential for evaluating the performance of the fabricated superconducting resonators.
The second part of this manuscript focuses on describing and analyzing the different developed devices. It is divided into three chapters, each addressing a specific aspect of LER development. Various superconducting materials are tested for fabricating LERs, including Nb, Nb/Au bilayers, NbTiN and Ti/Al bilayers; which are chosen depending on their suitability for the different applications. The performance of these resonators is characterized mainly by their transmission response at cryogenic temperatures, with a key focus on evaluating their resonance frequencies and quality factors.
Chapter 4 studies the superconducting properties of LERs and evaluates their performance. Frequency sweeps and losses characterization reveal that the fabricated resonators exhibit controlled frequency multiplexing and achieve high quality factors. Additionally, this chapter investigates the response of the resonators to thermal quasiparticles, their kinetic inductance and nonlinear behavior. Another significant aspect studied is the effect of two-level systems on resonator performance. The addition of a protective layer, such as a gold capping, leads to a reduction of these losses. This chapter also examines how the thickness of the superconducting film affects the kinetic inductance and nonlinear behavior of the resonators.
Chapter 5 explores the use of superconducting LERs as kinetic inductance detectors (KIDs) for space instruments, focusing on W-band (75 − 110 GHz) wave polarimetry for future studies of cosmic microwave background (CMB) radiation. These detectors achieve high sensitivity in detecting low-energy photons by utilizing variations in kinetic inductance and superconducting losses resulting from changes in the Cooper pair density. The chapter introduces a new on-chip polarimeter capable of distinguishing between two polarization states of radiation within the W-band. Initial results show a background limited noise level, which is crucial for the development of cameras for future space experiments. However, reducing cross-polarization sensitivity remains a challenge and new designs based on half-wavelength resonators are proposed to address this issue.
Chapter 6 details the second major application of LERs explored in this Thesis, which is their role in the development of molecular spin quantum processors. Magnetic molecules are emerging as promising candidates for quantum information processing, taking advantage of the quantum mechanical properties of molecular spins to perform complex quantum computations. In these processors, LERs serve as the
platform for coherent interaction with molecular spins, providing a scalable architecture for quantum operations. The primary objective of this Chapter is to optimize the interaction between molecular spin qubits and the electromagnetic fields generated by superconducting LERs, intending to enhance the sensitivity and selectivity of spin transitions. Critical parameters include the resonance frequency of the resonator, the magnetic field mode volume and the coupling to the transmission line.
The experimental investigation explores how different resonator geometries and material choices affect the coupling strength between the resonators and various molecular spin ensembles. Simulations and experimental results suggest that modifications to the resonator’s impedance and magnetic field distribution could further enhance the coupling strength with single molecular spins. Strong coupling between the resonators and spin systems, such as free radicals with spin 1/2 or more complex systems such as manganese molecules with electronic spin S = 5/2 and nuclear spin I = 5/2, is demonstrated. Finally, the Chapter explores potential strategies for achieving strong coupling with individual spins, using functionalized carbon nanotubes, a key step toward scalable quantum processors.
Lastly, Chapter 7 presents the overall conclusions and summarizes the main results of this Thesis. Superconducting LERs have shown to be a powerful technology, with the potential to advance both fundamental research in quantum physics and practical applications in astrophysical radiation detection.
Esta Tesis se centra en el desarrollo de resonadores superconductores de elementos concentrados (LERs, por sus siglas en inglés) para su aplicación en instrumentación astrofísica como en procesadores cuánticos basados en espines moleculares. Los resonadores superconductores son componentes esenciales en ambos campos debido a su capacidad única para operar con mínima disipación de energía y alta sensibilidad. Estas características los hacen ideales para la detección de señales electromagnéti
cas débiles y la manipulación precisa de estados cuánticos. En particular, los LERs, formados por componentes inductivos y capacitivos en serie acoplados a una línea de transmisión de 50Ω, ofrecen ventajas significativas, como la capacidad de acoplar múltiples resonadores a una sola línea de transmisión y controlar de forma independiente sus parámetros eléctricos para aplicaciones específicas. El objetivo de este trabajo es optimizar el desarrollo de LERs, incluyendo técnicas de diseño, fabricación y caracterización, para satisfacer las necesidades específicas de estas áreas de aplicación.
El Capítulo 1 introduce el contexto y la relevancia de las aplicaciones técnológicas exploradas. El Capítulo 2 desarrolla los principios fundamentales de la superconductividad, con énfasis en el comportamiento de los pares de Cooper y las cuasipartículas, que son cruciales para el funcionamiento de los resonadores superconductores. El marco teórico se extiende a la electrodinámica de los superconductores, explicando de qué manera factores externos tales como la temperatura, la potencia, la corriente y los campos magnéticos influyen en la respuesta del resonador. Específicamente, se analiza cómo estos factores afectan a la inductancia cinética y a las pérdidas de energía. Además, se revisa la teoría de los resonadores, discutiendo tanto configuraciones de resonadores concentrados como distribuidos. Se explican los principales parámetros que gobiernan la respuesta del resonador, como la frecuencia de resonancia, el factor de calidad y el acoplamiento a la línea de transmisión.
En el Capítulo 3, se describen los métodos experimentales desarrollados para la nanofabricación de las muestras, incluyendo las técnicas involucradas en la deposición de películas delgadas y el proceso de litografía, una parte esencial para asegurar el buen funcionamiento del resonador con un nivel mínimo de pérdidas. Además, se presentan las técnicas de caracterización-que operan principalmente a temperaturas criogénicas-, utilizadas para evaluar la respuesta de los resonadores superconductores
fabricados.
La segunda parte de este trabajo se centra en el análisis de los resultados experimentales. Está dividida en tres capítulos, cada uno de los cuales aborda un aspecto específico del desarrollo de LERs. Se estudian varios materiales superconductores para la fabricación de LERs, incluidos Nb, bicapas de Nb/Au, NbTiN y Ti/Al. Se realizan modificaciones en estos materiales para evaluar su idoneidad para diferentes aplicaciones. La respuesta de estos resonadores se caracteriza esencialmente con medidas de transmisión a temperaturas criogénicas, enfocadas principalmente en la evaluación de sus frecuencias de resonancia y factores de calidad.
El Capítulo 4 estudia las propiedades superconductoras de los LERs. Los barridos en frecuencia y las medidas de las pérdidas revelan que los resonadores fabricados revelan una multiplexación de frecuencia controlada y alcanzan altos factores de calidad. Además, este capítulo investiga la respuesta de los resonadores a cuasipartículas generadas por cambios de temperatura, su inductancia cinética y su respuesta no lineal. Otro aspecto estudiado es el efecto de los sistemas de dos niveles en las pérdidas del resonador. Se demuestra que la adición de una capa protectora, como una capa de oro, reduce la influencia del este tipo de pérdidas. El capítulo también examina cómo el espesor de la película superconductora afecta a la inductancia cinética y al comportamiento no lineal de los resonadores.
En el Capítulo 5 se explora el uso de los LERs superconductores como detectores de inductancia cinética (KIDs, por sus siglas en inglés) para instrumentación espacial, con un enfoque en la polarimetría de ondas milimétricas en la banda W (75 − 110 GHz). Estos detectores superconductores logran una alta sensibilidad en la detección de fotones de baja energía al aprovechar las variaciones en la inductancia cinética y las pérdidas superconductoras resultantes de los cambios en la densidad de pares de Cooper. El capítulo presenta un diseño innovador de polarímetro en el chip, basado en dos KIDs dispuestos perpendicularmente a ambas caras de un sustrato de silicio, capaz de distinguir entre dos estados de polarización de radiación dentro del rango de la banda W. Los resultados preliminares muestran un bajo nivel de ruido, limitado por el ruido de fondo asociado a las estadísticas de los fotones, lo cual es crucial para el desarrollo de cámaras para futuras misiones. Sin embargo, la reducción de la sensibilidad a la polarización cruzada sigue siendo un desafío, y se están desarrollando nuevos diseños basados en resonadores de media longitud de onda para abordar este problema.
El Capítulo 6 trata sobre la segunda aplicación de los LERs explorada en esta Tesis, que es su papel en el desarrollo de procesadores cuánticos basados en espines moleculares. Las moléculas magnéticas se presentan como candidatas prometedoras para el procesamiento de información cuántica, aprovechando las propiedades mecánico cuánticas de los espines moleculares para realizar cálculos cuánticos complejos. En estos procesadores, los LERs sirven como plataforma para la interacción coherente con espines moleculares, proporcionando una arquitectura escalable para las operaciones cuánticas. El objetivo principal de este capítulo es optimizar la interacción entre los qubits de espín molecular y los campos electromagnéticos generados por los LERs superconductores, con el objetivo de mejorar la sensibilidad y la selectividad de las transiciones de espín. Los parámetros críticos incluyen la frecuencia de resonancia del resonador, el volumen del modo de campo magnético y el acoplamiento a la línea de transmisión. El estudio experimental explora cómo diferentes geometrías de resonadores afectan al acoplo entre los resonadores y diversos conjuntos de espines moleculares. Las simulaciones y los resultados experimentales sugieren que modificaciones en la impedancia del resonador y en la distribución del campo magnético podrían mejorar aún más la intensidad de acoplo con espines moleculares individuales. Se demuestra experimentalmente un fuerte acoplo entre los resonadores y sistemas de espines, como radicales libres con espín electrónico S = 1/2 o sistemas más complejos
como moléculas de manganeso con espín S = 5/2 y espín nuclear I = 5/2. Finalmente, el capítulo explora estrategias para lograr un fuerte acoplo con espines individuales, usando nanotubos de carbono funcionalizados con la molécula magnética de interés.
Finalmente, en el Capítulo 7 se presentan las conclusiones generales y resume los principales resultados de esta Tesis. Se ha demostrado que los LERs superconductores son una tecnología clave, con el potencial de avanzar tanto en la investigación fundamental en física cuántica como en aplicaciones de instrumentación en la detección de radiación para astrofísica.
