We are developing large Transition Edge Sensor (TES) arrays in combination with a frequency domain multiplexing readout for the next generation of X-ray space observatories. For operation under an AC-bias, the TESs have to be carefully designed and optimized. In particular, the use of high aspect ratio devices will help us to mitigate non-ideal behavior due to the weak-link effect. In this paper, we present a full characterization of a TES array containing five different device geometries, with aspect ratios (width:length) ranging from 1:2 up to 1:6. The complex impedance of all geometries is measured in different bias configurations to study the evolution of the small-signal limit superconducting transition parameters α and β, as well as the excess noise. We show that high aspect ratio devices with properly tuned critical temperatures (around 90 mK) can achieve excellent energy resolution, with an array average of 2.03±0.17 eV at 5.9 keV and a best achieved resolution of 1.63±0.17 eV. This demonstrates that AC-biased TESs can achieve a very competitive performance compared to DC-biased TESs. The results have motivated a push to even more extreme device geometries currently in development.

1.
D.
Barret
,
T.
Lam Trong
,
J.-W.
den Herder
,
L.
Piro
,
X.
Barcons
,
J.
Huovelin
,
R.
Kelley
,
J. M.
Mas-Hesse
,
K.
Mitsuda
,
S.
Paltani
,
G.
Rauw
,
A.
Rożanska
,
J.
Wilms
,
M.
Barbera
,
E.
Bozzo
,
M. T.
Ceballos
,
I.
Charles
,
A.
Decourchelle
,
R.
den Hartog
,
J.-M.
Duval
,
F.
Fiore
,
F.
Gatti
,
A.
Goldwurm
,
B.
Jackson
,
P.
Jonker
,
C.
Kilbourne
,
C.
Macculi
,
M.
Mendez
,
S.
Molendi
,
P.
Orleanski
,
F.
Pajot
,
E.
Pointecouteau
,
F.
Porter
,
G. W.
Pratt
,
D.
Prêle
,
L.
Ravera
,
E.
Renotte
,
J.
Schaye
,
K.
Shinozaki
,
L.
Valenziano
,
J.
Vink
,
N.
Webb
,
N.
Yamasaki
,
F.
Delcelier-Douchin
,
M.
Le Du
,
J.-M.
Mesnager
,
A.
Pradines
,
G.
Branduardi-Raymont
,
M.
Dadina
,
A.
Finoguenov
,
Y.
Fukazawa
,
A.
Janiuk
,
J.
Miller
,
Y.
Nazé
,
F.
Nicastro
,
S.
Sciortino
,
J. M.
Torrejon
,
H.
Geoffray
,
I.
Hernandez
,
L.
Luno
,
P.
Peille
,
J.
André
,
C.
Daniel
,
C.
Etcheverry
,
E.
Gloaguen
,
J.
Hassin
,
G.
Hervet
,
I.
Maussang
,
J.
Moueza
,
A.
Paillet
,
B.
Vella
,
G.
Campos Garrido
,
J.-C.
Damery
,
C.
Panem
,
J.
Panh
,
S.
Bandler
,
J.-M.
Biffi
,
K.
Boyce
,
A.
Clénet
,
M.
DiPirro
,
P.
Jamotton
,
S.
Lotti
,
D.
Schwander
,
S.
Smith
,
B.-J.
van Leeuwen
,
H.
van Weers
,
T.
Brand
,
B.
Cobo
,
T.
Dauser
,
J.
de Plaa
, and
E.
Cucchetti
,
Proc. SPIE
9905
,
99052F
(
2016
), arXiv:1608.08105.
2.
D.
Barret
,
A.
Decourchelle
,
A.
Fabian
,
M.
Guainazzi
,
K.
Nandra
,
R.
Smith
, and
J.-W.
den Herder
,
Astron. Nachr.
341
,
224
(
2020
), arXiv:1912.04615.
3.
F.
Pajot
,
D.
Barret
,
T.
Lam-Trong
,
J.-W.
den Herder
,
L.
Piro
,
M.
Cappi
,
J.
Huovelin
,
R.
Kelley
,
J. M.
Mas-Hesse
,
K.
Mitsuda
,
S.
Paltani
,
G.
Rauw
,
A.
Rozanska
,
J.
Wilms
,
M.
Barbera
,
F.
Douchin
,
H.
Geoffray
,
R. H.
den Hartog
,
C.
Kilbourne
,
M.
Le Du
,
C.
Macculi
,
J. M.
Mesnager
, and
P.
Peille
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
901
(
2018
).
4.
R. H.
den Hartog
,
P.
Peille
,
J.
van der Kuur
,
D.
van Loon
,
B. D.
Jackson
,
J.-W.
den Herder
,
B. J.
van Leeuwen
, and
L.
Ravera
,
Proc. SPIE
10699
,
106994Q
(
2018
).
5.
W.
Cui
,
L. B.
Chen
,
B.
Gao
,
F. L.
Guo
,
H.
Jin
,
G. L.
Wang
,
L.
Wang
,
J. J.
Wang
,
W.
Wang
,
Z. S.
Wang
,
Z.
Wang
,
F.
Yuan
, and
W.
Zhang
,
J. Low Temp. Phys.
199
,
502
(
2020
).
6.
K.
Niwa
,
T.
Numata
,
K.
Hattori
, and
D.
Fukuda
,
Sci. Rep.
7
,
45660
(
2017
).
7.
P.
Khosropanah
,
T.
Suzuki
,
M.
Ridder
,
R. A.
Hijmering
,
H.
Akamatsu
,
L.
Gottardi
,
J.
van der Kuur
,
J. R.
Gao
, and
B. D.
Jackson
, “
Millimeter, submillimeter, and far-infrared detectors instrumentation for astronomy VIII,”
Proc. SPIE
9914
,
99140B
(
2016
).
8.
S. J.
Smith
,
J. S.
Adams
,
M. E.
Eckart
,
C. N.
Bailey
,
S. R.
Bandler
,
J. A.
Chervenak
,
F. M.
Finkbeiner
,
R. L.
Kelley
,
C. A.
Kilbourne
,
F. S.
Porter
, and
J. E.
Sadleir
,
J. Low Temp. Phys.
167
,
168
(
2012
).
9.
R.
Horansky
,
J.
Ullom
,
J.
Beall
,
W.
Doriese
,
W.
Duncan
,
L.
Ferreira
,
G.
Hilton
,
K.
Irwin
,
C.
Reintsema
,
L.
Vale
,
B.
Zink
,
A.
Hoover
,
C.
Rudy
,
D.
Tournear
,
D.
Vo
, and
M.
Rabin
,
Nucl. Instrum. Methods Phys. Res. Sect. A
579
,
169
(
2007
).
10.
S. R.
Bandler
,
J. S.
Adams
,
C. N.
Bailey
,
S. E.
Busch
,
J. A.
Chervenak
,
M. E.
Eckart
,
A. E.
Ewin
,
F. M.
Finkbeiner
,
R. L.
Kelley
,
D. P.
Kelly
,
C. A.
Kilbourne
,
J.-P.
Porst
,
F. S.
Porter
,
J. E.
Sadleir
,
S. J.
Smith
, and
E. J.
Wassell
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
23
,
2100705
(
2013
).
11.
K. D.
Irwin
, and
G. C.
Hilton
, “
Transition-edge sensors
,” in Cryogenic Particle Detection, edited by C. Enss,
Topics in Applied Physics
, Vol. 99 (Springer, Berlin, Heidelberg, 2005), pp. 63–150.
12.
J. N.
Ullom
and
D. A.
Bennett
,
Supercond. Sci. Technol.
28
,
084003
(
2015
).
13.
K. M.
Morgan
,
B. K.
Alpert
,
D. A.
Bennett
,
E. V.
Denison
,
W. B.
Doriese
,
J. W.
Fowler
,
J. D.
Gard
,
G. C.
Hilton
,
K. D.
Irwin
,
Y. I.
Joe
,
G. C.
O’Neil
,
C. D.
Reintsema
,
D. R.
Schmidt
,
J. N.
Ullom
, and
D. S.
Swetz
,
Appl. Phys. Lett.
109
,
112604
(
2016
).
14.
D. A.
Bennett
,
J. A. B.
Mates
,
S. R.
Bandler
,
D. T.
Becker
,
J. W.
Fowler
,
J. D.
Gard
,
G. C.
Hilton
,
K. D.
Irwin
,
K. M.
Morgan
,
C. D.
Reintsema
,
K.
Sakai
,
D. R.
Schmidt
,
S. J.
Smith
,
D. S.
Swetz
,
J. N.
Ullom
,
L. R.
Vale
, and
A. L.
Wessels
,
J. Astron. Telescopes Instrum. Syst.
5
,
1
(
2019
).
15.
N. A.
Wakeham
,
J. S.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
S.
Beaumont
,
J. A.
Chervenak
,
A. M.
Datesman
,
M. E.
Eckart
,
F. M.
Finkbeiner
,
R.
Hummatov
,
R. L.
Kelley
,
C. A.
Kilbourne
,
A. R.
Miniussi
,
F. S.
Porter
,
J. E.
Sadleir
,
K.
Sakai
,
S. J.
Smith
, and
E. J.
Wassell
,
J. Appl. Phys.
125
,
164503
(
2019
).
16.
L.
Gottardi
,
H.
Akamatsu
,
J.
van der Kuur
,
S. J.
Smith
,
A.
Kozorezov
, and
J.
Chervenak
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
27
,
1
(
2017
).
17.
K.
Sakai
,
J. S.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
J. A.
Chervenak
,
A. M.
Datesman
,
M. E.
Eckart
,
F. M.
Finkbeiner
,
R. L.
Kelley
,
C. A.
Kilbourne
,
A. R.
Miniussi
,
F. S.
Porter
,
J. S.
Sadleir
,
S. J.
Smith
,
N. A.
Wakeham
,
E. J.
Wassell
,
W.
Yoon
,
H.
Akamatsu
,
M. P.
Bruijn
,
L.
Gottardi
,
B. D.
Jackson
,
J.
van der Kuur
,
B. J.
van Leeuwen
,
A. J.
van der Linden
,
H. J.
van Weers
, and
M.
Kiviranta
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
356
(
2018
).
18.
M.
Ridder
,
K.
Nagayoshi
,
M. P.
Bruijn
,
L.
Gottardi
,
E.
Taralli
,
P.
Khosropanah
,
H.
Akamatsu
,
J.
van der Kuur
,
K.
Ravensberg
,
S.
Visser
,
A. C.
Nieuwenhuizen
,
J. R.
Gao
, and
J.-W.
den Herder
,
J. Low Temp. Phys.
199
,
962
(
2020
).
19.
L.
Gottardi
,
A.
Kozorezov
,
H.
Akamatsu
,
J.
van der Kuur
,
M. P.
Bruijn
,
R. H.
den Hartog
,
R.
Hijmering
,
P.
Khosropanah
,
C.
Lambert
,
A. J.
van der Linden
,
M. L.
Ridder
,
T.
Suzuki
, and
J. R.
Gao
,
Appl. Phys. Lett.
105
,
162605
(
2014
).
20.
L.
Gottardi
,
S. J.
Smith
,
A.
Kozorezov
,
H.
Akamatsu
,
J.
van der Kuur
,
S. R.
Bandler
,
M. P.
Bruijn
,
J. A.
Chervenak
,
J. R.
Gao
,
R. H.
den Hartog
,
B. D.
Jackson
,
P.
Khosropanah
,
A. R.
Miniussi
,
K.
Nagayoshi
,
M.
Ridder
,
J. E.
Sadleir
,
K.
Sakai
, and
N.
Wakeham
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
209
(
2018
).
21.
E.
Taralli
,
L.
Gottardi
,
K.
Nagayoshi
,
M.
Ridder
,
S.
Visser
,
P.
Khosropanah
,
H.
Akamatsu
,
J.
van der Kuur
,
M.
Bruijn
, and
J. R.
Gao
,
J. Low Temp. Phys.
199
,
80
(
2020
).
22.
K.
Nagayoshi
,
M. L.
Ridder
,
M. P.
Bruijn
,
L.
Gottardi
,
E.
Taralli
,
P.
Khosropanah
,
H.
Akamatsu
,
S.
Visser
, and
J.-R.
Gao
,
J. Low Temp. Phys.
199
,
943
(
2020
).
23.
R.
Divan
,
L. M.
Gades
,
P.
Kenesei
,
T. J.
Madden
,
A.
Miceli
,
J.-S.
Park
,
U. M.
Patel
,
O.
Quaranta
,
H.
Sharma
,
D. A.
Bennett
,
W. B.
Doriese
,
J. W.
Fowler
,
J. D.
Gard
,
J. P.
Hays-Wehle
,
K. M.
Morgan
,
D. R.
Schmidt
,
D. S.
Swetz
, and
J. N.
Ullom
,
Appl. Phys. Lett.
111
,
192602
(
2017
), arXiv:1708.08481.
24.
L. M.
Gades
,
T. W.
Cecil
,
R.
Divan
,
D. R.
Schmidt
,
J. N.
Ullom
,
T. J.
Madden
,
D.
Yan
, and
A.
Miceli
,
IEEE Trans. Appl. Supercond.
27
,
1
(
2017
).
25.
N. J.
Van Der Heijden
,
P.
Khosropanah
,
J.
van der Kuur
, and
M.
Ridder
,
J. Low Temp. Phys.
176
,
370
(
2014
).
26.
F.
Pobell
, in Matter and Methods at Low Temperatures (Springer, Berlin, 2007), pp. 1–6.
27.
M. P.
Bruijn
,
L.
Gottardi
,
R. H.
den Hartog
,
H. F.
Hoevers
,
M.
Kiviranta
,
P. A.
De Korte
, and
J.
van der Kuur
,
J. Low Temp. Phys.
167
,
695
(
2012
).
28.
M. P.
Bruijn
,
A. J.
van der Linden
,
L.
Ferrari
,
L.
Gottardi
,
J.
van der Kuur
,
R. H.
den Hartog
,
H.
Akamatsu
, and
B. D.
Jackson
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
661
(
2018
).
29.
L.
Gottardi
,
J.
van der Kuur
,
M.
Bruijn
,
A.
van der Linden
,
M.
Kiviranta
,
H.
Akamatsu
,
R.
den Hartog
, and
K.
Ravensberg
,
J. Low Temp. Phys.
194
,
370
(
2019
).
30.
See http://www.vttresearch.com/ for additional information about the activities of VTT, the developer of our SQUIDs.
31.
R.
den Hartog
,
D.
Boersma
,
M.
Bruijn
,
B.
Dirks
,
L.
Gottardi
,
H.
Hoevers
,
R.
Hou
,
M.
Kiviranta
,
P.
de Korte
,
J.
van der Kuur
,
B.-J.
van Leeuwen
,
A.
Nieuwenhuizen
,
M.
Popescu
,
B.
Young
,
B.
Cabrera
, and
A.
Miller
,
AIP Conf. Proc.
1185
,
261
264
(
2009
).
32.
H.
Akamatsu
,
L.
Gottardi
,
J.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
M.
Bruijn
,
J.
Chervenak
,
M.
Eckart
,
F.
Finkbeiner
,
R.
Den Hartog
,
H. F.
Hoevers
,
R.
Kelley
,
C.
Kilbourne
,
J.
van der Kuur
,
A. J.
Van Den Linden
,
F. S.
Porter
,
J. E.
Sadleir
,
S. J.
Smith
, and
M.
Kiviranta
,
J. Low Temp. Phys.
176
,
591
(
2014
).
33.
H.
Akamatsu
,
L.
Gottardi
,
C. P.
de Vries
,
J. S.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
M. P.
Bruijn
,
J. A.
Chervenak
,
M. E.
Eckart
,
F. M.
Finkbeiner
,
J. R.
Gao
,
J.-W.
den Herder
,
R.
den Hartog
,
H.
Hoevers
,
R. E.
Kelley
,
P.
Khosropanah
,
C. A.
Kilbourne
,
J.
van der Kuur
,
S.-J.
Lee
,
A. J.
van den Linden
,
F. S.
Porter
,
K.
Ravensberg
,
J. E.
Sadleir
,
S. J.
Smith
,
T.
Suzuki
,
E. J.
Wassell
, and
M.
Kiviranta
,
J. Low Temp. Phys.
184
,
436
(
2016
).
34.
H.
Akamatsu
,
L.
Gottardi
,
J.
van der Kuur
,
C. P.
de Vries
,
M. P.
Bruijn
,
J. A.
Chervenak
,
M.
Kiviranta
,
A. J.
van den Linden
,
B. D.
Jackson
,
A. R.
Miniussi
,
K.
Ravensberg
,
K.
Sakai
,
S. J.
Smith
, and
N.
Wakeham
,
J. Low Temp. Phys.
199
,
737
(
2020
).
35.
See http://www.leidencryogenics.com/ for the specifications of the Leiden Cryogenics CF-400 dilution refrigerator.
36.
J. E.
Sadleir
,
S. J.
Smith
,
S. R.
Bandler
,
J. A.
Chervenak
, and
J. R.
Clem
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
047003
(
2010
), arXiv:0910.2451.
37.
J. E.
Sadleir
,
S. J.
Smith
,
I. K.
Robinson
,
F. M.
Finkbeiner
,
J. A.
Chervenak
,
S. R.
Bandler
,
M. E.
Eckart
, and
C. A.
Kilbourne
,
Phys. Rev. B
84
,
184502
(
2011
).
38.
E. Taralli et al., “Performance and uniformity of a kilo-pixel array of TiAu transition-edge sensor microcalorimeters,” Rev. Sci. Instrum. (submitted).
39.
H. F. C.
Hoevers
,
M. L.
Ridder
,
A.
Germeau
,
M. P.
Bruijn
,
P. A. J.
de Korte
, and
R. J.
Wiegerink
,
Appl. Phys. Lett.
86
,
251903
(
2005
).
40.
J. P.
Hays-Wehle
,
D. R.
Schmidt
,
J. N.
Ullom
, and
D. S.
Swetz
,
J. Low Temp. Phys.
184
,
492
(
2016
).
41.
C. A.
Kilbourne
,
S. R.
Bandler
,
A. D.
Brown
,
J. A.
Chervenak
,
E.
Figueroa-Feliciano
,
F. M.
Finkbeiner
,
N.
Iyomoto
,
R. L.
Kelley
,
F. S.
Porter
, and
S. J.
Smith
,
Proc. SPIE
6686
,
668606
(
2007
).
42.
S. J.
Smith
,
J. S.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
S. E.
Busch
,
J. A.
Chervenak
,
M. E.
Eckart
,
F. M.
Finkbeiner
,
R. L.
Kelley
,
C. A.
Kilbourne
,
S. J.
Lee
,
J. P.
Porst
,
F. S.
Porter
, and
J. E.
Sadleir
,
J. Low Temp. Phys.
176
,
356
(
2014
).
43.
E.
Taralli
,
P.
Khosropanah
,
L.
Gottardi
,
K.
Nagayoshi
,
M. L.
Ridder
,
M. P.
Bruijn
, and
J. R.
Gao
,
AIP Adv.
9
,
045324
(
2019
).
44.
A.
Kozorezov
,
A. A.
Golubov
,
D. D. E.
Martin
,
P. A. J.
de Korte
,
M. A.
Lindeman
,
R. A.
Hijmering
,
J.
van der Kuur
,
H. F. C.
Hoevers
,
L.
Gottardi
,
M. Y.
Kupriyanov
, and
J. K.
Wigmore
,
Appl. Phys. Lett.
99
,
063503
(
2011
).
45.
A.
Kozorezov
,
A. A.
Golubov
,
D. D. E.
Martin
,
P. A. J.
de Korte
,
M. A.
Lindeman
,
R. A.
Hijmering
,
J.
van der Kuur
,
H. F. C.
Hoevers
,
L.
Gottardi
,
M. Y.
Kupriyanov
, and
J. K.
Wigmore
,
J. Low Temp. Phys.
167
,
108
(
2012
).
46.
D. A.
Bennett
,
D. S.
Swetz
,
R. D.
Horansky
,
D. R.
Schmidt
, and
J. N.
Ullom
,
J. Low Temp. Phys.
167
,
102
(
2012
).
47.
H. F.
Hoevers
,
A. C.
Bento
,
M. P.
Bruijn
,
L.
Gottardi
,
M. A.
Korevaar
,
W. A.
Mels
, and
P. A.
De Korte
,
Appl. Phys. Lett.
77
,
4422
(
2000
).
48.
Y.
Takei
,
L.
Gottardi
,
H. F. C.
Hoevers
,
P. A. J.
de Korte
,
J.
van der Kuur
,
M. L.
Ridder
, and
M. P.
Bruijn
,
J. Low Temp. Phys.
151
,
161
(
2008
).
49.
I. J.
Maasilta
,
AIP Adv.
2
,
042110
(
2012
).
50.
S. J.
Smith
,
J. S.
Adams
,
C. N.
Bailey
,
S. R.
Bandler
,
S. E.
Busch
,
J. A.
Chervenak
,
M. E.
Eckart
,
F. M.
Finkbeiner
,
C. A.
Kilbourne
,
R. L.
Kelley
,
S.-J.
Lee
,
J.-P.
Porst
,
F. S.
Porter
, and
J. E.
Sadleir
,
J. Appl. Phys.
114
,
074513
(
2013
).
51.
N.
Jethava
,
J. N.
Ullom
,
K. D.
Irwin
,
W. B.
Doriese
,
J. A.
Beall
,
G. C.
Hilton
,
L. R.
Vale
,
B.
Zink
,
B.
Young
,
B.
Cabrera
, and
A.
Miller
,
AIP Conf. Proc.
1185
,
31
33
(
2009
).
52.
A. R.
Miniussi
,
J. S.
Adams
,
S. R.
Bandler
,
J. A.
Chervenak
,
A. M.
Datesman
,
M. E.
Eckart
,
A. J.
Ewin
,
F. M.
Finkbeiner
,
R. L.
Kelley
,
C. A.
Kilbourne
,
F. S.
Porter
,
J. E.
Sadleir
,
K.
Sakai
,
S. J.
Smith
,
N. A.
Wakeham
,
E. J.
Wassell
, and
W.
Yoon
,
J. Low Temp. Phys.
193
,
337
(
2018
).
You do not currently have access to this content.