Out of equilibrium quasiparticles (QPs) are one of the main sources of decoherence in superconducting quantum circuits and one that is particularly detrimental in devices with high kinetic inductance, such as high impedance resonators, qubits, and detectors. Despite significant progress in the understanding of QP dynamics, pinpointing their origin and decreasing their density remain outstanding tasks. The cyclic process of recombination and generation of QPs implies the exchange of phonons between the superconducting thin film and the underlying substrate. Reducing the number of substrate phonons with frequencies exceeding the spectral gap of the superconductor should result in a reduction of QPs. Indeed, we demonstrate that surrounding high impedance resonators made of granular aluminum (grAl) with lower gapped thin film aluminum islands increases the internal quality factors of the resonators in the single photon regime, suppresses the noise, and reduces the rate of observed QP bursts. The aluminum islands are positioned far enough from the resonators to be electromagnetically decoupled, thus not changing the resonator frequency nor the loading. We therefore attribute the improvements observed in grAl resonators to phonon trapping at frequencies close to the spectral gap of aluminum, well below the grAl gap.

1.
X.
Gu
,
A. F.
Kockum
,
A.
Miranowicz
,
Y.
Xi Liu
, and
F.
Nori
,
Phys. Rep.
718–719
,
1
(
2017
).
2.
B.
Taylor
and
T.
Witt
,
Metrologia
26
,
47
(
1989
).
3.
J. P.
Pekola
,
O.-P.
Saira
,
V. F.
Maisi
,
A.
Kemppinen
,
M.
Möttönen
,
Y. A.
Pashkin
, and
D. V.
Averin
,
Rev. Mod. Phys.
85
,
1421
(
2013
).
4.
P. K.
Day
,
H. G.
LeDuc
,
B. A.
Mazin
,
A.
Vayonakis
, and
J.
Zmuidzinas
,
Nature
425
,
817
(
2003
).
5.
J.
Zmuidzinas
,
Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
3
,
169
(
2012
).
6.
J. M.
Gambetta
,
J. M.
Chow
, and
M.
Steffen
,
npj Quantum Inf.
3
,
2
(
2017
).
7.
P.
Krantz
,
M.
Kjaergaard
,
F.
Yan
,
T. P.
Orlando
,
S.
Gustavsson
, and
W. D.
Oliver
,
Appl. Phys. Rev.
6
,
021318
(
2019
).
8.
F.
Yan
,
S.
Gustavsson
,
A.
Kamal
,
J.
Birenbaum
,
A. P.
Sears
,
D.
Hover
,
T. J.
Gudmundsen
,
D.
Rosenberg
,
G.
Samach
,
S.
Weber
 et al,
Nat. Commun.
7
,
12964
(
2016
).
9.
M. A.
Rol
,
C. C.
Bultink
,
T. E.
O'Brien
,
S. R.
de Jong
,
L. S.
Theis
,
X.
Fu
,
F.
Luthi
,
R. F. L.
Vermeulen
,
J. C.
de Sterke
,
A.
Bruno
 et al,
Phys. Rev. Appl.
7
,
041001
(
2017
).
10.
P. V.
Klimov
,
J.
Kelly
,
Z.
Chen
,
M.
Neeley
,
A.
Megrant
,
B.
Burkett
,
R.
Barends
,
K.
Arya
,
B.
Chiaro
,
Y.
Chen
 et al,
Phys. Rev. Lett.
121
,
090502
(
2018
).
11.
N. T.
Bronn
,
V. P.
Adiga
,
S. B.
Olivadese
,
X.
Wu
,
J. M.
Chow
, and
D. P.
Pappas
,
Quantum Sci. Technol.
3
,
024007
(
2018
).
12.
A. G.
Fowler
,
A. C.
Whiteside
, and
L. C. L.
Hollenberg
,
Phys. Rev. Lett.
108
,
180501
(
2012
).
13.
N.
Ofek
,
A.
Petrenko
,
R.
Heeres
,
P.
Reinhold
,
Z.
Leghtas
,
B.
Vlastakis
,
Y.
Liu
,
L.
Frunzio
,
S. M.
Girvin
,
L.
Jiang
 et al,
Nature
536
,
441
445
(
2016
).
14.
J.
Aumentado
,
M. W.
Keller
,
J. M.
Martinis
, and
M. H.
Devoret
,
Phys. Rev. Lett.
92
,
066802
(
2004
).
15.
R.
Barends
,
J.
Baselmans
,
S.
Yates
,
J.
Gao
,
J.
Hovenier
, and
T.
Klapwijk
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
257002
(
2008
).
16.
M.
Shaw
,
R.
Lutchyn
,
P.
Delsing
, and
P.
Echternach
,
Phys. Rev. B
78
,
024503
(
2008
).
17.
G.
Catelani
,
J.
Koch
,
L.
Frunzio
,
R.
Schoelkopf
,
M. H.
Devoret
, and
L.
Glazman
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
077002
(
2011
).
18.
P.
De Visser
,
J.
Baselmans
,
P.
Diener
,
S.
Yates
,
A.
Endo
, and
T.
Klapwijk
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
167004
(
2011
).
19.
D.
Ristè
,
C. C.
Bultink
,
M. J.
Tiggelman
,
R. N.
Schouten
,
K. W.
Lehnert
, and
L.
DiCarlo
,
Nat. Commun.
4
,
1913
(
2013
).
20.
C.
Wang
,
Y. Y.
Gao
,
I. M.
Pop
,
U.
Vool
,
C.
Axline
,
T.
Brecht
,
R. W.
Heeres
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
,
G.
Catelani
 et al,
Nat. Commun.
5
,
5836
(
2014
).
21.
I.
Nsanzineza
and
B. L. T.
Plourde
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
117002
(
2014
).
22.
K.
Serniak
,
M.
Hays
,
G.
de Lange
,
S.
Diamond
,
S.
Shankar
,
L. D.
Burkhart
,
L.
Frunzio
,
M.
Houzet
, and
M. H.
Devoret
,
Phys. Rev. Lett.
121
,
157701
(
2018
).
23.
U.
Vool
,
I. M.
Pop
,
K.
Sliwa
,
B.
Abdo
,
C.
Wang
,
T.
Brecht
,
Y. Y.
Gao
,
S.
Shankar
,
M.
Hatridge
,
G.
Catelani
 et al,
Phys. Rev. Lett.
113
,
247001
(
2014
).
24.
C.
Janvier
,
L.
Tosi
,
L.
Bretheau
,
Ç. Ö.
Girit
,
M.
Stern
,
P.
Bertet
,
P.
Joyez
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
,
M. F.
Goffman
 et al,
Science
349
,
1199
(
2015
).
25.
S.
Gustavsson
,
F.
Yan
,
G.
Catelani
,
J.
Bylander
,
A.
Kamal
,
J.
Birenbaum
,
D.
Hover
,
D.
Rosenberg
,
G.
Samach
,
A. P.
Sears
 et al,
Science
354
,
1573
(
2016
).
26.
L.
Grünhaupt
,
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
,
117001
(
2018
).
27.
L.
Grünhaupt
,
M.
Spiecker
,
D.
Gusenkova
,
N.
Maleeva
,
S. T.
Skacel
,
I.
Takmakov
,
F.
Valenti
,
P.
Winkel
,
H.
Rotzinger
,
W.
Wernsdorfer
 et al,
Nat. Mater.
18
,
816
(
2019
).
28.
P.
Groszkowski
,
A. D.
Paolo
,
A. L.
Grimsmo
,
A.
Blais
,
D. I.
Schuster
,
A. A.
Houck
, and
J.
Koch
,
New J. Phys.
20
,
043053
(
2018
).
29.
J. J.
Viennot
,
M. C.
Dartiailh
,
A.
Cottet
, and
T.
Kontos
,
Science
349
,
408
(
2015
).
30.
X.
Mi
,
J. V.
Cady
,
D. M.
Zajac
,
P. W.
Deelman
, and
J. R.
Petta
,
Science
355
,
156
(
2017
).
31.
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
).
32.
R.
Barends
,
J.
Wenner
,
M.
Lenander
,
Y.
Chen
,
R. C.
Bialczak
,
J.
Kelly
,
E.
Lucero
,
P.
O'Malley
,
M.
Mariantoni
,
D.
Sank
 et al,
Appl. Phys. Lett.
99
,
113507
(
2011
).
33.
M.
Houzet
,
K.
Serniak
,
G.
Catelani
,
M.
Devoret
, and
L.
Glazman
,
Phys. Rev. Lett.
123
,
107704
(
2019
).
34.
P.
De Visser
,
D.
Goldie
,
P.
Diener
,
S.
Withington
,
J.
Baselmans
, and
T.
Klapwijk
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
047004
(
2014
).
35.
U.
Patel
,
I. V.
Pechenezhskiy
,
B. L. T.
Plourde
,
M. G.
Vavilov
, and
R.
McDermott
,
Phys. Rev. B
96
,
220501
(
2017
).
36.
L.
Swenson
,
A.
Cruciani
,
A.
Benoit
,
M.
Roesch
,
C.
Yung
,
A.
Bideaud
, and
A.
Monfardini
,
Appl. Phys. Lett.
96
,
263511
(
2010
).
37.
A.
Bespalov
,
M.
Houzet
,
J. S.
Meyer
, and
Y. V.
Nazarov
,
Phys. Rev. Lett.
117
,
117002
(
2016
).
38.
K.
Karatsu
,
A.
Endo
,
J.
Bueno
,
P. J.
de Visser
,
R.
Barends
,
D. J.
Thoen
,
V.
Murugesan
,
N.
Tomita
, and
J. J. A.
Baselmans
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
032601
(
2019
).
39.
D.
Moore
,
S.
Golwala
,
B.
Bumble
,
B.
Cornell
,
P.
Day
,
H.
LeDuc
, and
J.
Zmuidzinas
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
232601
(
2012
).
40.
R.-P.
Riwar
,
A.
Hosseinkhani
,
L. D.
Burkhart
,
Y. Y.
Gao
,
R. J.
Schoelkopf
,
L. I.
Glazman
, and
G.
Catelani
,
Phys. Rev. B
94
,
104516
(
2016
).
41.
A.
Hosseinkhani
,
R.-P.
Riwar
,
R. J.
Schoelkopf
,
L. I.
Glazman
, and
G.
Catelani
,
Phys. Rev. Appl.
8
,
064028
(
2017
).
42.
M.
Taupin
,
I. M.
Khaymovich
,
M.
Meschke
,
A. S.
Mel'nikov
, and
J. P.
Pekola
,
Nat. Commun.
7
,
10977
(
2016
).
43.
F.
Valenti
,
F.
Henriques
,
G.
Catelani
,
N.
Maleeva
,
L.
Grünhaupt
,
U.
von Lüpke
,
S. T.
Skacel
,
P.
Winkel
,
A.
Bilmes
,
A. V.
Ustinov
 et al,
Phys. Rev. Appl.
11
,
054087
(
2019
).
44.
H.
Rotzinger
,
S.
Skacel
,
M.
Pfirrmann
,
J.
Voss
,
J.
Münzberg
,
S.
Probst
,
P.
Bushev
,
M.
Weides
,
A.
Ustinov
, and
J.
Mooij
,
Supercond. Sci. Technol.
30
,
025002
(
2017
).
45.
W.
Zhang
,
K.
Kalashnikov
,
W.-S.
Lu
,
P.
Kamenov
,
T.
DiNapoli
, and
M.
Gershenson
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
011003
(
2019
).
46.
R. W.
Cohen
and
B.
Abeles
,
Phys. Rev.
168
,
444
(
1968
).
47.
G.
Deutscher
,
M.
Gershenson
,
E.
Grünbaum
, and
Y.
Imry
,
J. Vac. Sci. Technol.
10
,
697
(
1973
).
48.
U. S.
Pracht
,
N.
Bachar
,
L.
Benfatto
,
G.
Deutscher
,
E.
Farber
,
M.
Dressel
, and
M.
Scheffler
,
Phys. Rev. B
93
,
100503
(
2016
).
49.
F.
Levy-Bertrand
,
T.
Klein
,
T.
Grenet
,
O.
Dupré
,
A.
Benoît
,
A.
Bideaud
,
O.
Bourrion
,
M.
Calvo
,
A.
Catalano
,
A.
Gomez
 et al,
Phys. Rev. B
99
,
094506
(
2019
).
50.
A.
Rothwarf
and
B. N.
Taylor
,
Phys. Rev. Lett.
19
,
27
(
1967
).
51.
S. B.
Kaplan
,
C. C.
Chi
,
D. N.
Langenberg
,
J. J.
Chang
,
S.
Jafarey
, and
D. J.
Scalapino
,
Phys. Rev. B
14
,
4854
(
1976
).
52.
A. V.
Sergeev
and
M. Yu.
Reizer
,
Int. J. Mod. Phys. B
10
,
635
(
1996
).
53.
A. V.
Sergeev
,
V. V.
Mitin
, and
B. S.
Karasik
,
Appl. Phys. Lett.
80
,
817
(
2002
).
54.
J.
Winey
,
Y.
Gupta
, and
D.
Hare
,
J. Appl. Phys.
90
,
3109
(
2001
).
55.
J.
Chan
,
T. P. M.
Alegre
,
A. H.
Safavi-Naeini
,
J. T.
Hill
,
A.
Krause
,
S.
Gröblacher
,
M.
Aspelmeyer
, and
O.
Painter
,
Nature
478
,
89
92
(
2011
).
56.
A.
Kou
,
W.
Smith
,
U.
Vool
,
I.
Pop
,
K.
Sliwa
,
M.
Hatridge
,
L.
Frunzio
, and
M.
Devoret
,
Phys. Rev. Appl.
9
,
064022
(
2018
).
57.
C.
Wang
,
C.
Axline
,
Y. Y.
Gao
,
T.
Brecht
,
Y.
Chu
,
L.
Frunzio
,
M. H.
Devoret
, and
R. J.
Schoelkopf
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
162601
(
2015
).
58.
C. M.
Quintana
,
A.
Megrant
,
Z.
Chen
,
A.
Dunsworth
,
B.
Chiaro
,
R.
Barends
,
B.
Campbell
,
Y.
Chen
,
I.-C.
Hoi
,
E.
Jeffrey
 et al,
Appl. Phys. Lett.
105
,
062601
(
2014
).
59.
S.
Hunklinger
,
W.
Arnold
,
S.
Stein
,
R.
Nava
, and
K.
Dransfeld
,
Phys. Lett. A
42
,
253
(
1972
).
60.
B.
Golding
,
J.
Graebner
,
B.
Halperin
, and
R.
Schutz
,
Phys. Rev. Lett.
30
,
223
(
1973
).
61.
E.
Levenson-Falk
,
F.
Kos
,
R.
Vijay
,
L.
Glazman
, and
I.
Siddiqi
,
Phys. Rev. Lett.
112
,
047002
(
2014
).
62.
M.
Martinez
,
L.
Cardani
,
N.
Casali
,
A.
Cruciani
,
G.
Pettinari
, and
M.
Vignati
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
064025
(
2019
).
63.
R. M.
Barnett
,
C. D.
Carone
,
D. E.
Groom
,
T. G.
Trippe
,
C. G.
Wohl
,
B.
Armstrong
,
P. S.
Gee
,
G. S.
Wagman
,
F.
James
,
M.
Mangano
 et al,
Phys. Rev. D
54
,
1
(
1996
).

Supplementary Material

You do not currently have access to this content.