Weyl semimetal high-frequency amplifiers and thermal measurements

In this work, a novel amplifier based on Weyl semimetals (WSMs), e.g. WP2 and MoP2, is pre- sented. These topological materials have been shown to exhibit extremely large magnetoresistance at cryogenic conditions. In the proposed device, a gate current induces a local magnetic field, which controls the resistivity of the Weyl semimetal channel and the resulting output current. Simulations of the magnetic field are performed to explore the potentialities of the device, as well as thermal modeling to determine self-heating effects. Device operation is simulated using a numerical 3D model of magnetic field and resistivity, and a small-signal model. Results show that the proposed device can provide high current gain (9 dB) with extremely low DC power dis- sipation, almost one order of magnitude lower than present state-of-the-art. This type of device is very promising for qubit readout amplification in quantum computers, where the low power dissipation enables it to be integrated close to the qubit chip. In view of device integration, the exact material’s properties need to be determined. Therefore, thermal measurements in cryogenic conditions are implemented in order to gain more insights on the thermal properties of the WP2crystal. One of these crucial quantities is the heat capacity C [J/Km3]. First, the measurement setup, made of a MEMS platform, is characterized. Then, a novel technique is proposed with the use of a lock-in amplifier in order to determine the heat capacity of the material down to 20 K. The proposed method shows to be extremely promising for heat measurements through the all temperature range, reducing the problems of signal-to-noise ratio arising in the step-function measurement, employed in a previous work.

In questo elaborato viene presentato un nuovo tipo di amplificatore basato sui semimetalli di Weyl (WSM), e.g. WP2 e MoP2. Suddetti materiali topologici hanno mostrato considerevoli valori di magnetoresistenza in condizioni criogeniche. Nel dispositivo proposto, una corrente di gate genera un campo magnetico, il quale controlla la resistività del canale e la risultante corrente di uscita. Questo canale è costituito da un semimetallo di Weyl. Per esplorare le potenzialità del dispositivo vengono effettuate simulazioni di campo magnetico e simulazioni termiche. Grazie ad un modello numerico 3D di campo magnetico e resistività e ad un modello di piccolo segnale viene simulato il comportamento del dispositivo in continua e in frequenza. I risultati ottenuti mostrano elevati valori di guadagno in corrente (9 dB) accompagnati da una bassa dissipazione di potenza in continua, quasi un ordine di grandezza inferiore rispetto agli attuali dispositivi operanti nello stesso campo. Il suddetto dispositivo si dimostra essere alquanto promettente per amplificare segnali nei quantum computers. Inoltre, per la realizzazione di dispositivi integrati, le proprietà fisiche del materiale devono essere misurate in modo accurato. Dunque, vengono condotti esperimenti in condizioni criogeniche sul semimetallo di Weyl WP2. In particolare, una cruciale proprietà fisica di notevole interesse è la capacità termica C [J/Km3]. Inizialmente, viene caratterizzato il dispositivo utilizzato per le misure, una piattaforma MEMS. Successivamente, viene proposta una nuova metodologia di misura, basata sull’utilizzo di un amplificatore lock-in, per determinare la capacità termica del materiale fino a 20 K. Il metodo presentato si rivela alquanto promettente per misure termiche in un vasto spettro di temperature, riducendo i problemi di rapporto segnale rumore, presenti nelle misure con funzione di ingresso a gradino (utilizzate in un lavoro precedente).