We evaluate the performance of hybrid microwave resonators made by combining sputtered Nb thin films with Tungsten nanowires grown with a He-beam induced deposition technique. Depending on growth conditions, the nanowires have a typical width w[3575] nm and thickness t[540] nm. We observe a high normal state resistance R[65150]Ω/ which together with a critical temperature Tc[46]K ensures a high kinetic inductance making the resonator strongly nonlinear. Both lumped and coplanar waveguide resonators were fabricated and measured at low temperature exhibiting internal quality factors up to 3990 at 4.5 GHz in the few photon regime. Analyzing the wire length, temperature, and microwave power dependence, we extracted a kinetic inductance for the W nanowire of LK15pH/, which is 250 times higher than the geometrical inductance, and a Kerr non-linearity as high as KW,He/2π=200±120Hz/photon at 4.5 GHz. The nanowires made with the helium focused ion beam are thus versatile objects to engineer compact, high impedance, superconducting environments with a mask and resist free direct write process.

1.
V. E.
Manucharyan
,
J.
Koch
,
L. I.
Glazman
, and
M. H.
Devoret
,
Science
326
,
113
(
2009
).
2.
I. M.
Pop
,
K.
Geerlings
,
G.
Catelani
,
R. J.
Schoelkopf
,
L. I.
Glazman
, and
M. H.
Devoret
,
Nature
508
,
369
(
2014
).
3.
Y.-H.
Lin
,
L. B.
Nguyen
,
N.
Grabon
,
J.
San Miguel
,
N.
Pankratova
, and
V. E.
Manucharyan
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
150503
(
2018
).
4.
N.
Earnest
,
S.
Chakram
,
Y.
Lu
,
N.
Irons
,
R. K.
NaikN. Leung
,
J.
Lawrence
,
J.
Koch
, and
D. I.
Schuster
,
Phys. Rev. Lett.
120
,
150504
(
2018
).
5.
A.
Stockklauser
,
P.
Scarlino
,
J. V.
Koski
,
S.
Gasparinetti
,
C. K.
Andersen
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
T.
Ihn
,
K.
Ensslin
, and
A.
Wallraff
,
Phys. Rev. X
7
,
011030
(
2017
).
6.
A. J.
Landig
,
J. V.
Koski
,
P.
Scarlino
,
U. C.
Mendes
,
A.
Blais
,
C.
Reichl
,
W.
Wegscheider
,
A.
Wallraff
,
K.
Ensslin
, and
T.
Ihn
,
Nature
560
,
179
(
2018
).
7.
O. V.
Astafiev
,
L. B.
Ioffe
,
S.
Kafanov
,
Y. A.
Pashkin
,
K. Y.
Arutyunov
,
D.
Shahar
,
O.
Cohen
, and
J. S.
Tsai
,
Nature
484
,
355
(
2012
).
8.
C.
Altimiras
,
O.
Parlavecchio
,
P.
Joyez
,
D.
Vion
,
P.
Roche
,
D.
Esteve
, and
F.
Portier
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
212601
(
2013
).
9.
C.
Rolland
,
A.
Peugeot
,
S.
Dambach
,
M.
Westig
,
B.
Kubala
,
C.
Altimiras
,
H.
le Sueur
,
P.
Joyez
,
D.
Vion
,
P.
Roche
,
D.
Esteve
,
J.
Ankerhold
, and
F.
Portier
, preprint arXiv:1810.06217 (
2018
).
10.
J. D.
McCambridge
, “
The superconducting properties of niobium-titanium alloy multilayers
,” Ph.D. dissertation, Yale University,
1995
.
11.
D.
Niepce
,
J.
Burnett
, and
J.
Bylander
, preprint arXiv:1802.01723 (
2018
).
12.
J. R.
Gao
,
M.
Hajenius
,
F. D.
Tichelaar
,
T. M.
Klapwijk
,
B.
Voronov
,
E.
Grishin
,
G.
Goltsman
,
C. A.
Zorman
, and
M.
Mehregany
,
Appl. Phys. Lett.
91
,
062504
(
2007
).
13.
M.
Calvo
,
A.
D'Addabbo
,
A.
Monfardini
,
A.
Benoit
,
N.
Boudou
,
O.
Bourrion
,
A.
Catalano
,
L.
Dumoulin
,
J.
Goupy
,
H.
Le Sueur
, and
S.
Marnieros
,
J. Low Temp. Phys.
176
,
518
(
2014
).
14.
H. G.
Leduc
,
B.
Bumble
,
P. K.
Day
,
B. H.
Eom
,
J.
Gao
,
S.
Golwala
,
B. A.
Mazin
,
S.
McHugh
,
A.
Merrill
,
D. C.
Moore
,
O.
Noroozian
,
A. D.
Turner
, and
J.
Zmuidzinas
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
102509
(
2010
).
15.
N.
Samkharadze
,
A.
Bruno
,
P.
Scarlino
,
G.
Zheng
,
D. P.
DiVincenzo
,
L.
DiCarlo
, and
L. M. K.
Vandersypen
,
Phys. Rev. Appl.
5
,
044004
(
2016
).
16.
A.
Shearrow
,
G.
Koolstra
,
S. J.
Whiteley
,
N.
Earnest
,
P. S.
Barry
,
F. J.
Heremans
,
D. D.
Awschalom
,
E.
Shirokoff
, and
D. I.
Schuster
,
Appl. Phys. Lett.
113
,
212601
(
2018
).
17.
R.
Barends
,
H. L.
Hortensius
,
T.
Zijlstra
,
J. J. A.
Baselmans
,
S. J. C.
Yates
,
J. R.
Gao
, and
T. M.
Klapwijk
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
223502
(
2008
).
18.
N.
Maleeva
,
L.
Grnhaupt
,
T.
Klein
,
F.
Levy-Bertrand
,
O.
Dupre
,
M.
Calvo
,
F.
Valenti
,
P.
Winkel
,
F.
Friedrich
,
W.
Wernsdorfer
,
A. V.
Ustinov
,
H.
Rotzinger
,
A.
Monfardini
,
M. V.
Fistul
, and
I. M.
Pop
,
Nat. Commun.
9
,
3889
(
2018
).
19.
Y.
Shim
and
C.
Tahan
,
IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron.
21
,
1
(
2015
).
20.
A. Y.
Kasumov
,
K.
Tsukagoshi
,
M.
Kawamura
,
T.
Kobayashi
,
Y.
Aoyagi
,
K.
Senba
,
T.
Kodama
,
H.
Nishikawa
,
I.
Ikemoto
,
K.
Kikuchi
,
V. T.
Volkov
,
Y. A.
Kasumov
,
R.
Deblock
,
S.
Guéron
, and
H.
Bouchiat
,
Phys. Rev. B
72
,
033414
(
2005
).
21.
E. S.
Sadki
,
S.
Ooi
, and
K.
Hirata
,
Appl. Phys. Lett.
85
,
6206
(
2004
).
22.
E. S.
Sadki
,
S.
Ooi
, and
K.
Hirata
,
Physica C 426431(Part 2)
426–431
,
1547
(
2005
).
23.
S.
Sengupta
,
C.
Li
,
C.
Baumier
,
A.
Kasumov
,
S.
Guéron
,
H.
Bouchiat
, and
F.
Fortuna
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
042601
(
2015
).
24.
A.
Shailos
,
W.
Nativel
,
A.
Kasumov
,
C.
Collet
,
M.
Ferrier
,
S.
Guéron
,
R.
Deblock
, and
H.
Bouchiat
,
Europhys. Lett.
79
,
57008
(
2007
).
25.
F.
Chiodi
,
M.
Ferrier
,
S.
Guéron
,
J. C.
Cuevas
,
G.
Montambaux
,
F.
Fortuna
,
A.
Kasumov
, and
H.
Bouchiat
,
Phys. Rev. B
86
,
064510
(
2012
).
26.
C.
Li
,
A.
Kasumov
,
A.
Murani
,
S.
Sengupta
,
F.
Fortuna
,
K.
Napolskii
,
D.
Koshkodaev
,
G.
Tsirlina
,
Y.
Kasumov
,
I.
Khodos
,
R.
Deblock
,
M.
Ferrier
,
S.
Guéron
, and
H.
Bouchiat
,
Phys. Rev. B
90
,
245427
(
2014
).
27.
A.
Murani
,
A.
Kasumov
,
S.
Sengupta
,
Y. A.
Kasumov
,
V. T.
Volkov
,
I. I.
Khodos
,
F.
Brisset
,
R.
Delagrange
,
A.
Chepelianskii
,
R.
Deblock
,
H.
Bouchiat
, and
S.
Guéron
,
Nat. Commun.
8
,
15941
(
2017
).
28.
I.
Guillamón
,
H.
Suderow
,
A.
Fernndez-Pacheco
,
J.
Ses
,
R.
Córdoba
,
J. M.
De Teresa
,
M. R.
Ibarra
, and
S.
Vieira
,
Nat. Phys.
5
,
651
(
2009
).
29.
W.
Li
,
J. C.
Fenton
,
C.
Gu
, and
P. A.
Warburton
,
Microelectron. Eng.
88
,
2636
(
2011
).
30.
B. W.
Ward
,
J. A.
Notte
, and
N. P.
Economou
,
J. Vac. Sci. Technol. B
24
,
2871
(
2006
).
31.
R.
Córdoba
,
A.
Ibarra
,
D.
Mailly
, and
J. M.
De Teresa
,
Nano Lett.
18
,
1379
(
2018
).
32.
A. J.
Annunziata
,
D. F.
Santavicca
,
L.
Frunzio
,
G.
Catelani
,
M. J.
Rooks
,
A.
Frydman
, and
D. E.
Prober
,
Nanotechnology
21
,
445202
(
2010
).
33.
J. R.
Souquet
and
A. A.
Clerk
,
Phys. Rev. A
93
,
060301
(
2016
).
34.
J.
Estève
,
M.
Aprili
, and
J.
Gabelli
, preprint arXiv:1807.02364 (
2018
).
35.
M. S.
Khalil
,
M. J. A.
Stoutimore
,
F. C.
Wellstood
, and
K. D.
Osborn
,
J. Appl. Phys.
111
,
054510
(
2012
).
36.
D.
C. Mattis
and
J.
Bardeen
,
Phys. Rev.
111
,
412
(
1958
).
37.
A.
Ghosal
,
M.
Randeria
, and
N.
Trivedi
,
Phys. Rev. Lett.
81
,
3940
(
1998
).
38.
B.
Sacépé
,
C.
Chapelier
,
T. I.
Baturina
,
V. M.
Vinokur
,
M. R.
Baklanov
, and
M.
Sanquer
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
157006
(
2008
).
39.
E. F. C.
Driessen
,
P. C. J. J.
Coumou
,
R. R.
Tromp
,
P. J.
de Visser
, and
T. M.
Klapwijk
,
Phys. Rev. Lett.
109
,
107003
(
2012
).
40.
P. C. J. J.
Coumou
,
E. F. C.
Driessen
,
J.
Bueno
,
C.
Chapelier
, and
T. M.
Klapwijk
,
Phys. Rev. B
88
,
180505
(
2013
).
41.
D. E.
Oates
,
A. C.
Anderson
,
C. C.
Chin
,
J. S.
Derov
,
G.
Dresselhaus
, and
M. S.
Dresselhaus
,
Phys. Rev. B
43
,
7655
(
1991
).
42.
M.
Zemlicka
,
P.
Neilinger
,
M.
Trgala
,
M.
Rehak
,
D.
Manca
,
M.
Grajcar
,
P.
Szabo
,
P.
Samuely
,
S.
Gazi
,
U.
Hubner
,
V. M.
Vinokur
, and
E.
Il(ichev)
,
Phys. Rev. B
92
,
224506
(
2015
).
43.
L.
Grunhaupt
,
N.
Maleeva
,
S. T.
Skacel
,
M.
Calvo
,
F.
Levy-Bertrand
,
A. V.
Ustinov
,
H.
Rotzinger
,
A.
Monfardini
,
G.
Catelani
, and
I. M.
Pop
,
Phys. Rev. Lett.
121
(
11
),
117001
(
2018
).
44.
H.
LeSueur
,
A.
Svilans
,
N.
Bourlet
,
A.
Murani
,
L.
Bergé
,
L.
Dumoulin
, and
P.
Joyez
, preprint arXiv:1810.12801 (
2018
).
45.
M.
Tinkham
,
Introduction to Superconductivity
, 2nd ed. (
McGraw-Hill
,
New York
,
1996
).
46.
J. J.
Viennot
,
M. C.
Dartiailh
,
A.
Cottet
, and
T.
Kontos
,
Science
349
(
6246
),
408
411
(
2015
).
47.
L. J.
Swenson
,
P. K.
Day
,
B. H.
Eom
,
H. G.
Leduc
,
N.
Llombart
,
C. M.
McKenney
,
O.
Noroozian
, and
J.
Zmuidzinas
,
J. Appl. Phys.
113
,
104501
(
2013
).
48.
J. M.
Sage
,
V.
Bolkhovsky
,
W. D.
Oliver
,
B.
Turek
, and
P. B.
Welander
,
J. Appl. Phys.
109
,
063915
(
2011
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.