We present a systematic analysis of the internal losses of superconducting coplanar waveguide microwave resonators based on niobium thin films on silicon substrates. In particular, we investigate losses introduced by Nb/Al interfaces in the center conductor, which is important for experiments where Al based Josephson junctions are integrated into Nb based circuits. We find that these interfaces can be a strong source for two-level state (TLS) losses, when the interfaces are not positioned at current nodes of the resonator. In addition to TLS losses, for resonators including Al, quasiparticle losses become relevant above 200 mK. Finally, we investigate how losses generated by eddy currents in conductive material on the backside of the substrate can be minimized by using thick enough substrates or metals with high conductivity on the substrate backside.

1.
R. J.
Schoelkopf
and
S. M.
Girvin
,
Nature
451
,
664
(
2008
).
2.
T.
Niemczyk
,
F.
Deppe
,
H.
Hübl
,
E. P.
Menzel
,
F.
Hocke
,
M. J.
Schwarz
,
J. J.
Garcia-Ripoll
,
D.
Zueco
,
T.
Hümmer
,
E.
Solano
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Nat. Phys.
6
,
772
(
2010
).
3.
Y.
Kubo
,
C.
Grezes
,
A.
Dewes
,
T.
Umeda
,
J.
Isoya
,
H.
Sumiya
,
N.
Morishita
,
H.
Abe
,
S.
Onoda
,
T.
Ohshima
,
V.
Jacques
,
A.
Dréau
,
J.-F.
Roch
,
I.
Diniz
,
A.
Auffeves
,
D.
Vion
,
D.
Esteve
, and
P.
Bertet
,
Phys. Rev. Lett.
107
,
220501
(
2011
).
4.
M.
Mariantoni
,
H.
Wang
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
A. D.
O'Connell
,
D.
Sank
,
M.
Weides
,
J.
Wenner
,
T.
Yamamoto
,
Y.
Yin
,
J.
Zhao
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nat. Phys.
7
,
287
(
2011
).
5.
M.
Hofheinz
,
H.
Wang
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
A. D.
O'Connell
,
D.
Sank
,
J.
Wenner
,
J. M.
Martinis
, and
A. N.
Cleland
,
Nature
459
,
546
(
2009
).
6.
D. S.
Wisbey
,
J.
Gao
,
M. R.
Vissers
,
F. C. S.
da Silva
,
J. S.
Kline
,
L.
Vale
, and
D. P.
Pappas
,
J. Appl. Phys.
108
,
093918
(
2010
).
7.
J.
Wenner
,
R.
Barends
,
R. C.
Bialczak
,
Y.
Chen
,
J.
Kelly
,
E.
Lucero
,
M.
Mariantoni
,
A.
Megrant
,
P. J. J.
O' Malley
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
H.
Wang
,
T. C.
White
,
Y.
Yin
,
J.
Zhao
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
113513
(
2011
).
8.
J. M.
Sage
,
V.
Bolkhovsky
,
W. D.
Oliver
,
B.
Turek
, and
P. B.
Welander
,
J. Appl. Phys.
109
,
063915
(
2011
).
9.
S.
Ohya
,
B.
Chiaro
,
A.
Megrant
,
C.
Neill
,
R.
Barends
,
Y.
Chen
,
J.
Kelly
,
D.
Low
,
J.
Mutus
,
P. J. J.
OMalley
,
P.
Roushan
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T. C.
White
,
Y.
Yin
,
B. D.
Schultz
,
C. J.
Palmstrom
,
B. A.
Mazin
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Supercond. Sci. Technol.
27
,
015009
(
2014
).
10.
A. D.
O' Connell
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Hofheinz
,
N.
Katz
,
E.
Lucero
,
C.
McKenney
,
M.
Neeley
,
H.
Wang
,
E. M.
Weig
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
112903
(
2008
).
11.
M.
Arzeo
,
F.
Lombardi
, and
T.
Bauch
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
212601
(
2014
).
12.
R.
Barends
,
J.
Wenner
,
M.
Lenander
,
Y.
Chen
,
R. C.
Bialczak
,
J.
Kelly
,
E.
Lucero
,
P.
O' Malley
,
M.
Mariantoni
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
T. C.
White
,
Y.
Yin
,
J.
Zhao
,
A. N.
Cleland
,
J. M.
Martinis
, and
J. J. A.
Baselmans
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
113507
(
2011
).
13.
J.
Gao
,
J.
Zmuidzinas
,
A.
Vayonakis
,
P.
Day
,
B.
Mazin
, and
H.
Leduc
,
J. Low Temp. Phys.
151
,
557
(
2008
).
14.
T.
Lindström
,
J. E.
Healey
,
M. S.
Colclough
,
C. M.
Muirhead
, and
A. Y.
Tzalenchuk
,
Phys. Rev. B
80
,
132501
(
2009
).
15.
M. S.
Khalil
,
M. J. A.
Stoutimore
,
F. C.
Wellstood
, and
K. D.
Osborn
,
J. Appl. Phys.
111
,
054510
(
2012
).
17.
A.
Megrant
,
C.
Neill
,
R.
Barends
,
B.
Chiaro
,
Y.
Chen
,
L.
Feigl
,
J.
Kelly
,
E.
Lucero
,
M.
Mariantoni
,
P.
OMalley
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T.
White
,
Y.
Yin
,
J.
Zhao
,
C.
Palmström
,
J. M.
Martinis
, and
A.
Cleland
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
113510
(
2012
).
18.
J.
Wenner
,
M.
Neeley
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
A. D.
OConnell
,
D.
Sank
,
H.
Wang
,
M.
Weides
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Supercond. Sci. Technol.
24
,
065001
(
2011
).
19.
J. M.
Hornibrook
,
E. E.
Mitchell
, and
D. J.
Reilly
, e-print arXiv:1203.4442 [cond-mat].
20.
A.
Baust
,
E.
Hoffmann
,
M.
Haeberlein
,
M. J.
Schwarz
,
P.
Eder
,
J.
Goetz
,
F.
Wulschner
,
E.
Xie
,
L.
Zhong
,
F.
Quijandría
,
B.
Peropadre
,
D.
Zueco
,
J.-J.
García Ripoll
,
E.
Solano
,
K.
Fedorov
,
E. P.
Menzel
,
F.
Deppe
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Phys. Rev. B
91
,
014515
(
2015
).
21.
A. V.
Shcherbakova
,
K. G.
Fedorov
,
K. V.
Shulga
,
V. V.
Ryazanov
,
V. V.
Bolginov
,
V. A.
Oboznov
,
S. V.
Egorov
,
V. O.
Shkolnikov
,
M. J.
Wolf
,
D.
Beckmann
, and
A. V.
Ustinov
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
025009
(
2015
).
22.
M.
Watanabe
,
K.
Inomata
,
T.
Yamamoto
, and
J.-S.
Tsai
,
Phys. Rev. B
80
,
174502
(
2009
).
23.
A. J.
Leggett
,
S.
Chakravarty
,
A. T.
Dorsey
,
M. P. A.
Fisher
,
A.
Garg
, and
W.
Zwerger
,
Rev. Mod. Phys.
59
,
1
(
1987
).
24.
W. A.
Phillips
,
Rep. Prog. Phys.
50
,
1657
(
1987
).
25.
I.
Nsanzineza
and
B. L. T.
Plourde
,
Phys. Rev. Lett.
113
,
117002
(
2014
).
26.
T.
Niemczyk
,
F.
Deppe
,
M.
Mariantoni
,
E. P.
Menzel
,
E.
Hoffmann
,
G.
Wild
,
L.
Eggenstein
,
A.
Marx
, and
R.
Gross
,
Supercond. Sci. Technol.
22
,
034009
(
2009
).
27.
U.
Strom
,
M.
von Schickfus
, and
S.
Hunklinger
,
Phys. Rev. Lett.
41
,
910
(
1978
).
28.
H.
Wang
,
M.
Hofheinz
,
J.
Wenner
,
M.
Ansmann
,
R. C.
Bialczak
,
M.
Lenander
,
E.
Lucero
,
M.
Neeley
,
A. D.
OConnell
,
D.
Sank
,
M.
Weides
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
233508
(
2009
).
29.
M. V.
Schickfus
and
S.
Hunklinger
,
Phys. Lett. A
64
,
144
(
1977
).
30.
J.
Gao
,
M.
Daal
,
J. M.
Martinis
,
A.
Vayonakis
,
J.
Zmuidzinas
,
B.
Sadoulet
,
B. A.
Mazin
,
P. K.
Day
, and
H. G.
Leduc
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
212504
(
2008
).
31.
32.
S.
Rudin
,
T. L.
Reinecke
, and
B.
Segall
,
Phys. Rev. B
42
,
11218
(
1990
).
33.
P.
Borri
,
W.
Langbein
,
J. M.
Hvam
, and
F.
Martelli
,
Phys. Rev. B
59
,
2215
(
1999
).
34.
J.
Lisenfeld
,
A.
Lukashenko
,
M.
Ansmann
,
J. M.
Martinis
, and
A. V.
Ustinov
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
170504
(
2007
).
35.
J.
Lisenfeld
,
C.
Müller
,
J. H.
Cole
,
P.
Bushev
,
A.
Lukashenko
,
A.
Shnirman
, and
A. V.
Ustinov
,
Phys. Rev. Lett.
105
,
230504
(
2010
).
36.
J. M.
Martinis
,
K. B.
Cooper
,
R.
McDermott
,
M.
Steffen
,
M.
Ansmann
,
K. D.
Osborn
,
K.
Cicak
,
S.
Oh
,
D. P.
Pappas
,
R. W.
Simmonds
, and
C. C.
Yu
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
210503
(
2005
).
37.
D.
Kasilingam
and
D.
Rutledge
, in
IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest
(
1983
), pp.
113
116
.
38.
T.
Noguchi
,
M.
Naruse
, and
Y.
Sekimoto
,
Phys. Procedia
36
,
318
(
2012
).
39.
D. C.
Mattis
and
J.
Bardeen
,
Phys. Rev.
111
,
412
(
1958
).
40.
S. P.
Morgan
,
J. Appl. Phys.
20
,
352
(
1949
).
41.
R.
Simons
and
R.
Arora
,
IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
30
,
1094
(
1982
).
42.
Product no. 16062—Pelco conductive silver paint
,”
Technical Report
, Ted Pella, Inc.,
2013
.
43.
E.
Maxwell
,
J. Appl. Phys.
18
,
629
(
1947
).
44.
V. E.
Manucharyan
,
E.
Boaknin
,
M.
Metcalfe
,
R.
Vijay
,
I.
Siddiqi
, and
M.
Devoret
,
Phys. Rev. B
76
,
014524
(
2007
).
45.
A.
Kleinsasser
,
R.
Miller
, and
W.
Mallison
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
5
,
26
(
1995
).
46.
M.
Göppl
,
A.
Fragner
,
M.
Baur
,
R.
Bianchetti
,
S.
Filipp
,
J. M.
Fink
,
P. J.
Leek
,
G.
Puebla
,
L.
Steffen
, and
A.
Wallraff
,
J. Appl. Phys.
104
,
113904
(
2008
).
47.
K.
Lang
,
S.
Nam
,
J.
Aumentado
,
C.
Urbina
, and
J. M.
Martinis
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
13
,
989
(
2003
).
48.
E. A.
Tholen
,
A.
Ergül
,
E. M.
Doherty
,
F. M.
Weber
,
F.
Gregis
, and
D. B.
Haviland
,
Appl. Phys. Let.
90
,
253509
(
2007
).
49.
H. B.
Wang
,
T.
Hatano
,
T.
Yamashita
,
P. H.
Wu
, and
P.
Müller
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
023504
(
2005
).
50.
S.
Guénon
,
M.
Grünzweig
,
B.
Gross
,
J.
Yuan
,
Z. G.
Jiang
,
Y. Y.
Zhong
,
M. Y.
Li
,
A.
Iishi
,
P. H.
Wu
,
T.
Hatano
,
R. G.
Mints
,
E.
Goldobin
,
D.
Koelle
,
H. B.
Wang
, and
R.
Kleiner
,
Phys. Rev. B
82
,
214506
(
2010
).
51.
N.
Booth
,
P.
Brink
,
R.
Gaitskell
,
D.
Goldie
,
A.
Hahn
,
G.
Salmon
, and
A.
Swift
,
J. Low Temp. Phys.
93
,
521
(
1993
).
52.
N. A.
Court
,
A. J.
Ferguson
,
R.
Lutchyn
, and
R. G.
Clark
,
Phys. Rev. B
77
,
100501
(
2008
).
53.
J.
Burnett
,
L.
Faoro
,
I.
Wisby
,
V. L.
Gurtovoi
,
A. V.
Chernykh
,
G. M.
Mikhailov
,
V. A.
Tulin
,
R.
Shaikhaidarov
,
V.
Antonov
,
P. J.
Meeson
,
A. Y.
Tzalenchuk
, and
T.
Lindstrm
,
Nat. Commun.
5
,
4119
(
2014
).
54.
C.
Müller
,
J.
Lisenfeld
,
A.
Shnirman
, and
S.
Poletto
,
Phys. Rev. B
92
,
035442
(
2015
).
55.
J.
Thorp
, in
Proceedings of the IEE - Part III: Radio and Communication Engineering
(
1954
), Vol.
101
, p.
357
.
56.
R. A.
Matula
,
J. Phys. Chem. Ref. Data
8
,
1147
(
1979
).
57.
M.
Fouaidy
and
N.
Hammoudi
,
Physica C
441
,
137
(
2006
).
58.
C. M.
Quintana
,
A.
Megrant
,
Z.
Chen
,
A.
Dunsworth
,
B.
Chiaro
,
R.
Barends
,
B.
Campbell
,
Y.
Chen
,
I.-C.
Hoi
,
E.
Jeffrey
,
J.
Kelly
,
J. Y.
Mutus
,
P. J. J.
O'Malley
,
C.
Neill
,
P.
Roushan
,
D.
Sank
,
A.
Vainsencher
,
J.
Wenner
,
T. C.
White
,
A. N.
Cleland
, and
J. M.
Martinis
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
062601
(
2014
).
You do not currently have access to this content.