Dielectric measurements on insulating materials at cryogenic temperatures can be challenging, depending on the frequency and temperature ranges of interest. We present a technique to study the dielectric properties of bulk dielectrics at GHz frequencies. A superconducting coplanar Nb resonator is deposited directly on the material of interest, and this resonator is then probed in distant-flip-chip geometry with a microwave feedline on a separate chip. Evaluating several harmonics of the resonator gives access to various probing frequencies in the present studies up to 20 GHz. We demonstrate the technique on three different materials (MgO, LaAlO3, and TiO2), at temperatures between 1.4 K and 7 K.
REFERENCES
1.
D.
Dimos
and C. H.
Mueller
, Annu. Rev. Mater. Sci.
28
, 397
(1998
).2.
R.
Brand
, P.
Lunkenheimer
, and A.
Loidl
, J. Chem. Phys.
116
, 010386
(2002
).3.
K. A.
Müller
and H.
Burkard
, Phys. Rev. B
19
, 3593
(1979
).4.
H. F.
Hess
, K.
DeConde
, T. F.
Rosenbaum
, and G. A.
Thomas
, Phys. Rev. B
25
, 5578
(1982
).5.
M.
Hering
, M.
Scheffler
, M.
Dressel
, and H. v.
Löhneysen
, Phys. Rev. B
75
, 205203
(2007
).6.
B. P.
Gorshunov
, V. I.
Torgashev
, E. S.
Zhukova
, V. G.
Thomas
, M. A.
Belyanchikov
, C.
Kadlec
, F.
Kadlec
, M.
Savinov
, T.
Ostapchuk
, J.
Petzelt
, J.
Prokleska
, P. V.
Tomas
, E. V.
Pestrjakov
, D. A.
Fursenko
, G. S.
Shakurov
, A. S.
Prokhorov
, V. S.
Gorelik
, L. S.
Kadyrov
, V. V.
Uskov
, R. K.
Kremer
, and M.
Dressel
, Nat. Commun.
7
, 12842
(2016
).7.
J.
Krupka
, Meas. Sci. Technol.
17
, R55
(2006
).8.
G.
Kent
, in Proceedings of Conference on Precision Electromagnetic Measurements Digest
(IEEE
, 1994
), pp. 352
–353
.9.
J.
Krupka
, D.
Cros
, M.
Aubourg
, and P.
Guillon
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
42
, 56
(1994
).10.
M. V.
Jacob
, J.
Mazierska
, K.
Leong
, and J.
Krupka
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
50
, 474
(2002
).11.
M. S.
DiIorio
, A. C.
Anderson
, and B.-Y.
Tsaur
, Phys. Rev. B
38
, 7019
(1988
).12.
S. M.
Anlage
, H.
Sze
, H. J.
Snortland
, S.
Tahara
, B.
Langley
, C. B.
Eom
, M. R.
Beasley
, and R.
Taber
, Appl. Phys. Lett.
54
, 2710
(1989
).13.
D. E.
Oates
, A. C.
Anderson
, C. C.
Chin
, J. S.
Derov
, G.
Dresselhaus
, and M. S.
Dresselhaus
, Phys. Rev. B
43
, 7655
(1991
).14.
B. W.
Langley
, S. M.
Anlage
, R. F. W.
Pease
, and M. R.
Beasley
, Rev. Sci. Instrum.
62
, 1801
(1991
).15.
A.
Andreone
, A.
DiChiara
, G.
Peluso
, M.
Santoro
, C.
Attanasio
, L.
Maritato
, and R.
Vaglio
, J. Appl. Phys.
73
, 4500
(1993
).16.
L.
Frunzio
, A.
Wallraff
, D.
Schuster
, J.
Majer
, and R.
Schoelkopf
, IEEE Trans. Appl. Supercond.
15
, 860
(2005
).17.
G.
Hammer
, S.
Wuensch
, M.
Roesch
, K.
Ilin
, E.
Crocoll
, and M.
Siegel
, Supercond. Sci. Technol.
20
, S408
(2007
).18.
J.
Zmuidzinas
, Annu. Rev. Condens. Matter Phys.
3
, 169
(2012
).19.
M.
Scheffler
, K.
Schlegel
, C.
Clauss
, D.
Hafner
, C.
Fella
, M.
Dressel
, M.
Jourdan
, J.
Sichelschmidt
, C.
Krellner
, C.
Geibel
, and F.
Steglich
, Phys. Status Solidi B
250
, 439
(2013
).20.
W. D.
Oliver
and P. B.
Welander
, MRS Bull.
38
, 816
(2013
).21.
M.
Scheffler
, M. M.
Felger
, M.
Thiemann
, D.
Hafner
, K.
Schlegel
, M.
Dressel
, K. S.
Ilin
, M.
Siegel
, S.
Seiro
, C.
Geibel
, and F.
Steglich
, Acta IMEKO
4
, 47
(2015
).22.
N. G.
Ebensperger
, M.
Thiemann
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Supercond. Sci. Technol.
29
, 115004
(2016
).23.
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
).24.
J. G.
Kroll
, F.
Borsoi
, K. L.
van der Enden
, W.
Uilhoorn
, D.
de Jong
, M.
Quintero-Pérez
, D. J.
van Woerkom
, A.
Bruno
, S. R.
Plissard
, D.
Car
, E. P. A. M.
Bakkers
, M. C.
Cassidy
, and L. P.
Kouwenhoven
, Phys. Rev. Appl.
11
, 064053
(2019
).25.
S.
Revenaz
, D. E.
Oates
, D.
Labbé-Lavigne
, G.
Dresselhaus
, and M. S.
Dresselhaus
, Phys. Rev. B
50
, 1178
(1994
).26.
Y.
Kubo
, F. R.
Ong
, P.
Bertet
, D.
Vion
, V.
Jacques
, D.
Zheng
, A.
Dréau
, J.-F.
Roch
, A.
Auffeves
, F.
Jelezko
, J.
Wrachtrup
, M. F.
Barthe
, P.
Bergonzo
, and D.
Esteve
, Phys. Rev. Lett.
105
, 140502
(2010
).27.
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
).28.
A.
Ghirri
, C.
Bonizzoni
, D.
Gerace
, S.
Sanna
, A.
Cassinese
, and M.
Affronte
, Appl. Phys. Lett.
106
, 184101
(2015
).29.
D. B.
Tuckerman
, M. C.
Hamilton
, D. J.
Reilly
, R.
Bai
, G. A.
Hernandez
, J. M.
Hornibrook
, J. A.
Sellers
, and C. D.
Ellis
, Supercond. Sci. Technol.
29
, 084007
(2016
).30.
M.
Thiemann
, M. H.
Beutel
, M.
Dressel
, N. R.
Lee-Hone
, D. M.
Broun
, E.
Fillis-Tsirakis
, H.
Boschker
, J.
Mannhart
, and M.
Scheffler
, Phys. Rev. Lett.
120
, 237002
(2018
).31.
F.
Levy-Bertrand
, T.
Klein
, T.
Grenet
, O.
Dupré
, A.
Benoît
, A.
Bideaud
, O.
Bourrion
, M.
Calvo
, A.
Catalano
, A.
Gomez
, J.
Goupy
, L.
Grünhaupt
, U. v.
Luepke
, N.
Maleeva
, F.
Valenti
, I. M.
Pop
, and A.
Monfardini
, Phys. Rev. B
99
, 094506
(2019
).32.
A.
Megrant
, C.
Neill
, R.
Barends
, B.
Chiaro
, Y.
Chen
, L.
Feigl
, J.
Kelly
, E.
Lucero
, M.
Mariantoni
, P. J. J.
O’Malley
, D.
Sank
, A.
Vainsencher
, J.
Wenner
, T. C.
White
, Y.
Yin
, J.
Zhao
, C. J.
Palmstrøm
, J. M.
Martinis
, and A. N.
Cleland
, Appl. Phys. Lett.
100
, 113510
(2012
).33.
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
).34.
D. S.
Wisbey
, M. R.
Vissers
, J.
Gao
, J. S.
Kline
, M. O.
Sandberg
, M. P.
Weides
, M. M.
Paquette
, S.
Karki
, J.
Brewster
, D.
Alameri
, I.
Kuljanishvili
, A. N.
Caruso
, and D. P.
Pappas
, J. Low Temp. Phys.
195
, 474
(2019
).35.
V.
Gupta
, B.
Yelamanchili
, S.
Zou
, T.
Isaacs-Smith
, J. A.
Sellers
, D. B.
Tuckerman
, and M. C.
Hamilton
, IEEE Trans. Appl. Supercond.
29
, 1501405
(2019
).36.
J.
Krupka
, K.
Derzakowski
, A.
Abramowicz
, M. E.
Tobar
, and R. G.
Geyer
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
47
, 752
(1999
).37.
J.
Baker-Jarvis
, M. D.
Janezic
, and J.
Krupka
, in International Conference on Microwaves, Radar & Wireless Communications
(IEEE
, 2006
), pp. 1093
–1096
.38.
J.
Baker-Jarvis
, M.
Janezic
, and D. C.
DeGroot
, IEEE Instrum. Meas. Mag.
13
, 24
(2010
).39.
N. G.
Ebensperger
, B.
Ferdinand
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Rev. Sci. Instrum.
90
, 114701
(2019
).40.
L.
Wendel
, “Dielectric measurements at GHz frequencies
,” M.Sc. thesis, University of Stuttgart
, 2019
.41.
A. I.
Gubin
, K. S.
Il’in
, S. A.
Vitusevich
, M.
Siegel
, and N.
Klein
, Phys. Rev. B
72
, 064503
(2005
).42.
N.
Pompeo
, E.
Silva
, S.
Sarti
, C.
Attanasio
, and C.
Cirillo
, Physica C
470
, 901
(2010
).43.
A.
Farag
, M.
Ubl
, A.
Konzelmann
, M.
Hentschel
, and H.
Giessen
, Opt. Express
27
, 025012
(2019
).44.
D.
Bothner
, T.
Gaber
, M.
Kemmler
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, S.
Wünsch
, and M.
Siegel
, Phys. Rev. B
86
, 014517
(2012
).45.
J.
Goetz
, F.
Deppe
, M.
Haeberlein
, F.
Wulschner
, C. W.
Zollitsch
, S.
Meier
, M.
Fischer
, P.
Eder
, E.
Xie
, K. G.
Fedorov
, E. P.
Menzel
, A.
Marx
, and R.
Gross
, J. Appl. Phys.
119
, 015304
(2016
).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.
D.
Bothner
, C.
Clauss
, E.
Koroknay
, M.
Kemmler
, T.
Gaber
, M.
Jetter
, M.
Scheffler
, P.
Michler
, M.
Dressel
, D.
Koelle
, and R.
Kleiner
, Appl. Phys. Lett.
100
, 012601
(2012
).48.
D. S.
Rausch
, M.
Thiemann
, M.
Dressel
, D.
Bothner
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, and M.
Scheffler
, J. Phys. D: Appl. Phys.
51
, 465301
(2018
).49.
Z. K.
Minev
, K.
Serniak
, I. M.
Pop
, Z.
Leghtas
, K.
Sliwa
, M.
Hatridge
, L.
Frunzio
, R. J.
Schoelkopf
, and M. H.
Devoret
, Phys. Rev. Appl.
5
, 044021
(2016
).50.
D.
Rosenberg
, D.
Kim
, R.
Das
, D.
Yost
, S.
Gustavsson
, D.
Hover
, P.
Krantz
, A.
Melville
, L.
Racz
, G. O.
Samach
, S. J.
Weber
, F.
Yan
, J. L.
Yoder
, A. J.
Kerman
, and W. D.
Oliver
, npj Quantum Inf.
3
, 42
(2017
).51.
K. J.
Satzinger
, Y. P.
Zhong
, H.-S.
Chang
, G. A.
Peairs
, A.
Bienfait
, M.-H.
Chou
, A. Y.
Cleland
, C. R.
Conner
, É.
Dumur
, J.
Grebel
, I.
Gutierrez
, B. H.
November
, R. G.
Povey
, S. J.
Whiteley
, D. D.
Awschalom
, D. I.
Schuster
, and A. N.
Cleland
, Nature
563
, 661
(2018
).52.
K. J.
Satzinger
, C. R.
Conner
, A.
Bienfait
, H.-S.
Chang
, M.-H.
Chou
, A. Y.
Cleland
, É.
Dumur
, J.
Grebel
, G. A.
Peairs
, R. G.
Povey
, S. J.
Whiteley
, Y. P.
Zhong
, D. D.
Awschalom
, D. I.
Schuster
, and A. N.
Cleland
, Appl. Phys. Lett.
114
, 173501
(2019
).53.
54.
R. N.
Simons
, Coplanar Waveguide Circuits, Components, and Systems
(Wiley-IEEE Press
, 2001
).55.
G.
Ghione
and C. U.
Naldi
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
35
, 260
(1987
).56.
J.
Krupka
, R. G.
Geyer
, M.
Kuhn
, and J. H.
Hinken
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
42
, 1886
(1994
).57.
T.
Konaka
, M.
Sato
, H.
Asano
, and S.
Kubo
, J. Supercond.
4
, 283
(1991
).58.
E. S.
Sabisky
and H. J.
Gerritsen
, J. Appl. Phys.
33
, 1450
(1962
).59.
R. A.
Parker
, Phys. Rev.
124
, 1719
(1961
).60.
Y.
Wiemann
, J.
Simmendinger
, C.
Clauss
, L.
Bogani
, D.
Bothner
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Appl. Phys. Lett.
106
, 193505
(2015
).61.
The bare feedline chip was measured in the same sample holder as the case with the superconducting resonator, but with the complete sample holder at room temperature. Therefore, the coaxial lines of the sample holder and the coplanar feedline here have higher losses than for the 1.4 K measurement of the resonator.
62.
M.
Scheffler
and M.
Dressel
, Rev. Sci. Instrum.
76
, 074702
(2005
).63.
L.
Ranzani
, L.
Spietz
, Z.
Popovic
, and J.
Aumentado
, Rev. Sci. Instrum.
84
, 034704
(2013
).64.
J.-H.
Yeh
and S. M.
Anlage
, Rev. Sci. Instrum.
84
, 034706
(2013
).65.
M.
Thiemann
, “Microwave investigations on superconducting Nb-doped SrTiO3
,” Ph.D. thesis, University of Stuttgart
, 2018
.66.
F.
London
and H.
London
, Proc. R. Soc. London, Ser. A
149
, 71
(1935
).67.
68.
H. A.
Wheeler
, Proc. IRE
30
, 412
(1942
).69.
70.
The kinetic inductance Lk of a superconductor is proportional to the inverse of the superfluid density and hence proportional to λ2.71 Our modeling via Eq. (3) thus describes the temperature-dependent Lk of our resonator, and the rather small difference between measured and corrected data in Fig. 4 indicates that Lk of our transmission is much smaller than its geometric inductance.46
71.
A. J.
Annunziata
, D. F.
Santavicca
, L.
Frunzio
, G.
Catelani
, M. J.
Rooks
, A.
Frydman
, and D. E.
Prober
, Nanotechnology
21
, 445202
(2010
).72.
R. A.
Ferrell
and R. E.
Glover
III, Phys. Rev.
109
, 1398
(1958
).73.
M.
Tinkham
and R. A.
Ferrell
, Phys. Rev. Lett.
2
, 331
(1959
).74.
C.
Collignon
, B.
Fauqué
, A.
Cavanna
, U.
Gennser
, D.
Mailly
, and K.
Behnia
, Phys. Rev. B
96
, 224506
(2017
).75.
K.
Torokhtii
, N.
Pompeo
, and E.
Silva
, Meas. Sci. Technol.
25
, 025601
(2014
).76.
N.
Klein
, C.
Zuccaro
, U.
Dähne
, H.
Schulz
, N.
Tellmann
, R.
Kutzner
, A. G.
Zaitsev
, and R.
Wördenweber
, J. Appl. Phys.
78
, 6683
(1995
).77.
C.
Zuccaro
, I.
Ghosh
, K.
Urban
, N.
Klein
, S.
Penn
, and N. M.
Alford
, IEEE Trans. Appl. Supercond.
7
, 3715
(1997
).78.
M. E.
Tobar
, J.
Krupka
, E. N.
Ivanov
, and R. A.
Woode
, J. Appl. Phys.
83
, 1604
(1998
).79.
J. H.
Takemoto
, F. K.
Oshita
, H. R.
Fetterman
, P.
Kobrin
, and E.
Sovero
, IEEE Trans. Microwave Theory Tech.
37
, 1650
(1989
).80.
N.
Belk
, D. E.
Oates
, D. A.
Feld
, G.
Dresselhaus
, and M. S.
Dresselhaus
, Phys. Rev. B
53
, 3459
(1996
).81.
D.
Hafner
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Rev. Sci. Instrum.
85
, 014702
(2014
).82.
M.
Javaheri Rahim
, T.
Lehleiter
, D.
Bothner
, C.
Krellner
, D.
Koelle
, R.
Kleiner
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, J. Phys. D: Appl. Phys.
49
, 395501
(2016
).83.
M.
Thiemann
, M.
Dressel
, and M.
Scheffler
, Phys. Rev. B
97
, 214516
(2018
).84.
M.
Beutel
, “Breitbandige ESR-Untersuchungen mit in-situ-Kontrolle von Orientierung und abstand
,” B.Sc. thesis, University of Stuttgart
, 2014
.85.
M.
Köpke
and J.
Weis
, Physica C
506
, 143
(2014
).86.
V.
Engl
, “Planar microwave resonators on SrTiO3 substrates
,” M.Sc. thesis, University of Stuttgart
, 2019
.© 2020 Author(s).
2020
Author(s)
You do not currently have access to this content.
