In this thesis I describe work on developing theoretical and numerical models of supercon- ducting thin-film microwave resonators. Superconducting resonators are used in a variety of applications, one of which is as kinetic inductance detectors (KIDs). KIDs are ultra-low noise, highly sensitive, multiplexable detectors, with uses in a wide variety of fields including astrophysics, medical imaging, and particle physics. Resonators are also crucial for supercon- ducting qubit readout, superconducting mixers and parametric amplifiers, and as multiplexers for other devices. The results described in this thesis apply to all thin film resonators, but are primarily described in the context of KIDs. I develop models of how constant absorbed power affects superconducting thin films, driving them out of thermal equilibrium with the bath. Using the Chang & Scalapino equations, I calculate numerically the steady-state quasiparticle and phonon distributions for various sources of power (sub-gap and above-gap photons and phonons, single frequency and broadband). Many new results emerge, a few of which are: the quasiparticle heating effects of microwave power, explaining the experimentally measured saturation of resonator performance; the frequency dependence of the quasiparticle generation efficiency in the sub-mm wavelength range; and the importance of phonon trapping in thin films at low temperatures. I then use these nonequilibrium results in higher-level device models. Starting from a generic framework for resonators, I present and implement a model of a KID with variable thermal isolation. I calculate the effects of quasiparticle heating on both the large-signal and small-signal behaviour, highlighting the effects of electrothermal feedback caused by readout power. Electrothermal feedback is shown to be able to increase or decrease the magnitude and bandwidth of the responsivity and noise, depending on the operating point. Finally, I propose an experimental measurement of quasiparticle heating effects in a new device – a four-port ring resonator. In such a device, unlike in the standard two-port resonator, the device can be heated and read out independently. I develop detailed models for the thermal and electrical behaviour of these devices, and suggest a scheme by which the quasiparticle heating effects of microwave power, predicted in this thesis, can be measured.

La prochaine génération d’instruments pour l'observation de la polarisation du fond diffus cosmologique est particulièrement exigeante en termes de nombre de détecteurs, de qualité de la mesure et d'efficacité de remplissage du plan focal. De plus, pour détecter les modes-B de polarisation provenant de l’inflation, il faut observer le ciel avec plusieurs bandes de fréquence afin de soustraire les avant-plans. Dans ce contexte, les détecteurs à inductance cinétique (KIDs) représentent une technologie très prometteuse en raison de leur grand facteur de multiplexage et de leur facilité de réalisation, tandis que le couplage avec une antenne peut fournir des solutions multi-bandes et double-polarisation dans un design compacte. Les KIDs à éléments localisés (LEKID) couplé à une antenne développé dans cette thèse sont sensibles à la polarisation avec deux sous-bandes à 140 GHz et 160 GHz chacune avec une bande passante de 10%. L'architecture proposée utilise une antenne à fente excitée par une ligne microruban et deux filtres passe-bande vers deux résonateurs. Ces derniers sont couplés capacitivement avec l'antenne et comprennent une ligne microruban en Aluminium comme absorbeur. Cette architecture est particulièrement simple à fabriquer, sans via et ne nécessite que de deux niveaux de métallisation. La transition ne nécessite aucun dépôt de diélectrique au-dessus du résonateur, évitant ainsi les limitations de toute source de bruit due au substrat non-monocristallin (TLS). En outre, la même technique de couplage peut être appliquée à de nombreux types d'antennes excitées par une ligne microruban, ce qui permet de s'adapter aux filtres passe-bande. / Next generation telescopes for observing the Cosmic Microwave Background are demanding in terms of number of detectors and focal plane area filling efficiency. Moreover, foreground reduction in B-Mode polarimetry requires sky observation with multiple frequency bands. In this context KIDs are promising technology because of their large multiplexing rate, while antenna coupling can provide multi-band and dual-polarization solutions in compact design. The proposed polarization sensitive antenna-coupled LEKID is operating at 140 GHz and 160 GHz with a bandwidth of almost 10% for each sub-band. The design involves a microstrip excited slot antenna and two open-stub band-pass filters to direct the signal toward two resonators. These are lumped elements capacitively coupled to the antenna and include an Aluminium strip as absorber. The architecture proposed is particularly simple to fabricate, via-less and only involves two metallization levels. The transition doesn't require any dielectric deposition above the resonator, thus preventing limitations from any source of noise due to non-monocrystalline substrate (TLS). Furthermore, the same coupling technique can be applied to many types of microstrip excited antennas, which allow to accommodate band-pass filters.

Le sujet principal de cette thèse est la conception et le développement d'un nouveau type de détecteur cryogénique, appelé Lumped Element Kinetic Inductance Detector, pour l'application dans l'astronomie millimétrique et la détection de photons de haute énergie. Concernant l'astrophysique, l'objectif était d'élaborer des grandes matrices de détecteurs qui montrent une sensibilité comparable aux bolomètres. J'ai travaillé sur le développement et les tests de pixels uniques, la réalisation de matrices et l'intégration dans la caméra NIKA (Néel IRAM KIDs Array), une expérience pour le télescope IRAM en Espagne. Cette activité a été couronnée par deux campagnes de démonstration au télescope avec d'excellents résultats: la caméra travaille dans deux bandes de fréquences (1,25 mm et 2 mm), chacune avec plus de 100 pixels, et présente une sensibilité d'environ 200 aW/sqrt(Hz). Un deuxième objectif de la thèse était de réaliser un concept des LEKIDs pour la détection de photons de haute énergie. Nous avons développé des nouveaux dispositifs pour étudier la détection de rayons X médiée par les phonons produits dans le substrat. Ces tests montrent un seuil de détection d'environ 60 eV ce qui est encourageant pour le future. / The main subject of this PhD thesis is the concept and development of a novel kind of cryogenics detectors, called Lumped Element Kinetic Inductance Detector for the application in millimeter astronomy and in the detection of high energy photons. Regarding astrophysics, the goal was to obtain large arrays of detectors, demonstrating a sensitivity comparable with bolometers. I worked on the development and tests of single pixel, realization of the array and integration into NIKA (Neel IRAM KIDs Array), an experiment installed at the IRAM telescope in Spain. This activity culminated with two demonstrative runs at the telescope with excellent results: the camera, working at two frequencies (1.25 mm and 2 mm) with more than 200 pixels, obtained a sensitivity of about 200 aW/sqrt(Hz). The goal of the second application was to obtain a good concept for high energy photons detection with LEKIDs. We developed new devices to study the detection of X-ray mediated via phonons produced in the substrate. Those tests demonstrated a threshold level of about 60 eV, encouraging for the future.

abstract: The Milky Way galaxy is a powerful dynamic system that is highly efficient at recycling material. Stars are born out of intergalactic gas and dust, fuse light elements into heavier elements in their cores, then upon stellar death spread material throughout the galaxy, either by diffusion of planetary nebula or by explosive events for high mass stars, and that gas must cool and condense to form stellar nurseries. Though the stellar lifecycle has been studied in detail, relatively little is known about the processes by which hot, diffuse gas ejected by dying stars cools and conglomerates in the interstellar medium (ISM). Much of this mystery arises because only recently have instruments with sufficient spatial and spectral resolution, sensitivity, and bandwidth become available in the terahertz (THz) frequency spectrum where these clouds peak in either thermal or line emission. In this dissertation, I will demonstrate technology advancement of instruments in this frequency regime with new characterization techniques, machining strategies, and scientific models of the spectral behavior of gas species targeted by these instruments. I begin this work with a description of radiation pattern measurements and their use in astronomical instrument characterization. I will introduce a novel technique to measure complex (phase-sensitive) field patterns using direct detectors. I successfully demonstrate the technique with a single pixel microwave inductance detectors (MKID) experiment. I expand that work by measuring the APEX MKID (A-MKID) focal plane array of 880 pixel detectors centered at 350 GHz. In both chapters I discuss the development of an analysis pipeline to take advantage of all information provided by complex field mapping. I then discuss the design, simulation, fabrication processes, and characterization of a circular-to-rectangular waveguide transformer module integrated into a circularly symmetric feedhorn block. I conclude with a summary of this work and how to advance these technologies for future ISM studies. / Dissertation/Thesis / Doctoral Dissertation Exploration Systems Design 2018

Les Détecteurs a Inductance Cinétique (KID) ont récemment attiré l'attention de la communauté des détecteurs fonctionnants à très basse température (~100 mK). Haute sensibilité, une fabrication simple, une lecture à faible constante de temps et un multiplexage fréquentielle intrinsèque, ouvrent de nouvelles possibilités pour les expériences necessitant des matrices de détecteurs ultra-sensibles avec un grand nombre de pixels. En astronomie millimétrique, l'instrument New IRAM KID Array (NIKA) est aujourd'hui la meilleure démonstration des performances optiques des ces détecteurs. Cette dernière est composée de plusieurs centaines des KIDs répartis sur deux bandes spectrales. NIKA est installé de manière permanente au telescope (30 mètres) IRAM à Pico Veleta (Grenade, Espagne). Pendant les campagnes d'observation NIKA, nous avons démontré des performances comparables aux bolomètres et l'instrument est aujourd'hui ouvert à la communauté des astronomes. Ces résultats favorables ont déclenché le développement d'une géneration plus ambitieuse : NIKA2. Cette dernière fonctionnera avec pas moins de quelques ~5000 pixels. De plus, il existe une volonté d'étendre la technologie de KID pour les futures missions spatiales d'observation. Dans ce cadre, il est important d'étudier l'interaction des rayons cosmiques avec les matrices de KIDs. Nous avons réalisé une étude avancée permettant aujourd'hui d'entrevoire la physique derrière les intéractions à haute énergie dans les substrats et leur propagation sous forme de phonons jusque dans les pixels. Le travail effectué dans cette thèse est centré principalement sur le développement des instruments (les matrices des detecteurs et le software de lecture et acquisition des donnes) dédiés aux KIDs pour ces mesures. / Kinetic Inductance Detectors (KID) have recently drawn the attention of the low-temperature detectors community. High sensitivity, low fabrication complexity, small time constant and most notably the intrinsic capability of frequency multiplexed readout open new possibilities for experiments which need large format arrays of ultra sensitive light detectors. In millimeter Astronomy, the New IRAM KID Array (NIKA) instrument is today the most beautiful demonstration of this statement. It is a two bands hundreds-pixels KID based camera permanently installed at the focal plane of the IRAM 30-m telescope of Pico Veleta (Granada, Spain). Thanks to the NIKA observational campaign, we have de nitively demonstrated performances comparable to the state-of-art of bolometers and the instrument is today opened to the astronomers community. This encourages further array scaling and opens the path to next generation kilo-pixels ground-based cameras, like NIKA-2. Moreover, the will to extend KID technology to space mission needs the interaction with cosmic rays to be investigated. The understanding of the physics behind substrate-higher energy particles interactions led us to implement a fully independent system for the phonon-mediated particle detection with KID arrays. The work carried out through this PhD thesis concerned the development of optimized Lumped Element Kinetic Inductance Detectors (LEKID) and the implementation of dedicated readout techniques for the aforementioned activities.

Depuis 10 ans, les détecteurs à inductance cinétique (Kinetic Inductance Detector KID) ont connu un essor considérable dans le domaine de la radioastronomie millimétrique pour atteindre des limites de sensibilités de l'ordre du bruit de photon. Le détecteur à inductance cinétique est un résonateur, équivalent à un circuit RLC dont la fréquence de résonance est f_0, lithographié dans un métal supraconducteur. Des photons incidents, possédant une énergie plus grande que le gap supraconducteur, sont absorbés dans le matériau et modifient son impédance de surface résultant en un décalage Df_0 de la fréquence de résonance du résonateur. Plusieurs centaines de résonateurs, de fréquence de résonance distincte, sont organisés en matrice. Nous étudions la réalisation de matrices de détecteurs en aluminium contenant jusqu'à 1932 pixels sur des substrats de diamètre 100 mm sur lesquels les propriétés physiques du matériau supraconducteur sont très homogènes. Différentes approches permettant l'optimisation électrique et optique de ces matrices sont proposées. Ces optimisations ont permis de sélectionner des matrices de détecteurs répondant aux caractéristiques requises par l'IRAM et qui sont à présent installées dans l'instrument NIKA-2 (New Instrument of KID Array) au télescope de 30 m sur le Pico Veleta en Espagne. Nous analysons également la déposition par pulvérisation réactive de films fin de nitrure de titane et nous présentons une méthode rapide et non destructive de caractérisation de la teneur en azote dans ces films par ellipsométrie. Nous décrivons des détails sur l'amélioration du bâti de déposition pour produire des films de TiN plus homogènes en teneur d'azote. Des matrices de détecteurs en nitrure de titane sont fabriquées et caractérisées à partir de ces films. Les performances de cette première matrice sont prometteuses et nous encouragent à poursuivre leur développement. / For 10 years, kinetic inductance detectors are developed for millimeter radioastronomy and they now reach photon-noise sensitivities. A kinetic inductance detector (KID) is a resonator, equivalent to an RLC circuit whose resonant frequency is f_0, structured in a superconducting metal. Incoming photons, with energy greater than the superconducting gap, are absorbed in the metal and change its surface impedance leading to a shift Df_0 of the resonant frequency of the resonator. KID arrays are made with hundred of resonators with different resonant frequencies. We study the fabrication of aluminum-KID arrays of 1932 pixels on 4 inch substrate with homogeneous superconducting properties over this area. Various ways to electrically and optically optimize these arrays are proposed. These optimization allow us to choose arrays that have the required performances. These arrays are now installed in the NIKA-2 (New Instrument of KID Array) instrument in IRAM's 30 m telescope located on the Pico Veleta in Spain. We also analyze reactive sputtered titanium nitride thin films and we present a rapid and non-destructive measurement to characterize the nitrogen content in these films. We describe upgrades of the deposition chamber that allow more uniform thin films to be deposited. TiN KID arrays are fabricated and characterized from these optimized thin films. The performances of these TiN prototype arrays are surprisingly good and encourage future work.

La distribution de masse dans l'Univers telle que tracée par les amas de galaxies constitue une sonde cosmologique puissante. La caractérisation des processus associés à l'origine et à la croissance des grandes structures permet de contraindre des paramètres cosmologiques via l'étude de la distribution des amas en fonction de leur masse et de leur redshift. Cependant, il existe un désaccord statistiquement significatif observé entre les contraintes cosmologiques établies par l'étude des anisotropies primaires du fond diffus cosmologique et celles issues de l'analyse de la distribution des amas de galaxies. Cela pourrait signifier que le modèle standard de la cosmologie est incomplet. L'une des méthodes d'observation des amas de galaxie exploite l'effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ) qui permet de contraindre la pression du gaz contenu dans ces derniers. Cette observable peut être directement liée à la masse des amas via une relation d'échelle et un profil de pression. Il est donc essentiel de caractériser précisément ces derniers afin de limiter les potentiels biais et effets systématiques affectant les analyses cosmologiques. Cette thèse présente l'ensemble des travaux réalisés dans cet objectif. Elle porte sur des thématiques allant des observations SZ effectuées avec la caméra NIKA2 installée au télescope de 30 mètres de l’IRAM jusqu'à l'estimation des paramètres cosmologiques en passant par l'analyse des données brutes de NIKA2 et des cartes SZ réalisées.Une part du travail de thèse présenté dans ce document est consacrée à l'étude et l’amélioration des différentes étapes effectuées, depuis les observations d'amas de galaxies au télescope avec la caméra NIKA2 jusqu'à la production de cartes de l'effet SZ. Les procédures développées pour estimer les performances instrumentales de NIKA2 sont détaillées et la chaîne d'analyse utilisée pour réduire les données brutes est présentée.Les travaux réalisés dans cette thèse ont également consisté à caractériser les propriétés thermodynamiques d'amas de galaxies via des analyses jointes combinant les cartes SZ NIKA2 avec des données X mesurées par le satellite XMM-Newton. Nous détaillons les méthodes employées dans le logiciel de traitement des données SZ créé pour le grand programme SZ de NIKA2, la procédure de déprojection non-paramétrique développée pour caractériser le profil de pression des amas de galaxies et les résultats de la première observation SZ avec NIKA2.Les dernières activités présentées sont dédiées aux analyses réalisées afin de quantifier l'impact du grand programme SZ de NIKA2 sur la cosmologie. Nous analysons l'effet des perturbations dynamiques du milieu intra-amas sur la caractérisation du profil de pression avec NIKA2 via l'utilisation d'amas de la simulation numérique MUSIC. Finalement, nous détaillons l'étude permettant d'estimer l'impact d'une variation du profil de pression universel sur l'estimation des paramètres cosmologiques déduite du spectre de puissance de l'effet SZ mesuré par Planck. / The mass distribution in the Universe, as traced by galaxy clusters is a powerful cosmological probe. The characterization of the processes associated with the origin and the growth of the large scale structures enables constraining cosmological parameters by studying the distribution of clusters according to their mass and redshift. However, a tension is observed between the cosmological constraints established by the study of the primary anisotropies of the cosmological background and those resulting from the analysis of the distribution of galaxy clusters. This may imply that our cosmological model is incomplete. The observation of clusters from the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect allows us to constrain their gas pressure. This observable can be directly linked to the mass of galaxy clusters via a scaling relation and a pressure profile. It is thus essential to characterize the latter precisely in order to limit the potential bias and systematic effects affecting cosmological analyses. This thesis presents the work carried out to this end. It covers topics ranging from SZ observations made with the NIKA2 camera installed at the IRAM 30-metre telescope to the estimation of cosmological parameters, and including the analysis of NIKA2 raw data and the SZ maps produced.Part of the thesis work presented in this document is dedicated to the study and the improvement of the different tasks carried out, from the observations of galaxy clusters with the NIKA2 camera to the production of maps of the SZ effect. The procedures developed to estimate the NIKA2 instrumental performance are detailed and the analysis pipeline used to analyze the raw data is presented.The work carried out in this thesis also consisted in characterizing the thermodynamic properties of galaxy clusters using joint analyzes that combine the NIKA2 SZ maps with X-ray data measured by the XMM-Newton satellite. We detail the methods used in the SZ data processing software created for the NIKA2 SZ large program, the non-parametric deprojection procedure developed to characterize the pressure profile of galaxy clusters and the results of the first SZ observation with NIKA2.The last activities presented are dedicated to the analyses carried out to quantify the impact of the NIKA2 SZ large program on cosmology. We analyze the effect of dynamic disturbances of the intracluster medium on the characterization of the pressure profile with NIKA2 via the use of clusters from the MUSIC N-body simulation. Finally, we detail the study realized in order to estimate the impact of a modification of the universal pressure profile on the estimation of cosmological parameters derived from the power spectrum of the SZ effect measured by Planck.

La mesure de la distribution de matière dans l'Univers offre une sonde importante pour la cosmologie. Elle peut être tracée à différentes étapes de la formation des structures en utilisant l'analyse des anisotropies primaires et secondaires du fond diffus cosmologique (CMB). Cette thèse se focalise sur l'analyse des données du satellite Planck et celles de la caméra NIKA installée au sol au télescope de 30 mètres de l'IRAM.La première partie introduit le contexte, en se concentrant sur: 1) l'inflation, qui procure une origine naturelle aux fluctuations de matière observées dans l'Univers; 2) la réionisation, qui correspond au moment où les premières étoiles se forment; 3) les amas de galaxies, qui sont les briques de l'Univers plus récent.La seconde partie se concentre sur la réduction des données de NIKA. Le développement de la chaîne d'analyse, qui permet de passer des données brutes aux cartes astrophysiques, est présenté. Elle est dédiée aux détecteurs à inductance cinétique, nouvellement développés pour la caméra NIKA. Les outils et les simulations utilisés pour caractériser les cartes sont aussi présentés.La troisième partie est dédiée à l'observation et l'analyse des amas de galaxies par effet Sunyaev-Zel'dovich (SZ), i.e. l'interaction Compton inverse entre les photons du CMB et les électrons énergétiques dans les amas. Une fois obtenues, les cartes SZ sont combinées avec des données X afin de mesurer les propriétés thermodynamiques et de matière des amas observés. Les résultats principaux sont: la première observation de l'effet SZ avec des détecteurs à inductance cinétique, la mesure du profil de pression dans un amas à haut redshift (z=0.89), l'étude de la contamination par les sources ponctuelles dans un amas résolu, et la cartographie SZ dans un amas en collision triple.La dernière partie présente l'analyse des données de Planck en polarisation. Les effets systématiques aux grandes échelles angulaires et les outils développés pour les identifier et les corriger y sont discutés. Les données en polarisation aux grandes échelles permettent à la fois de chercher les empreintes des fluctuations quantiques générées pendant l'inflation et de mesurer la réionisation. / The measurement of the matter distribution in the Universe provides valuable tests for cosmology. It can be traced at various steps of the formation of structures using the analysis of the primary and secondary anisotropies in the Cosmic Microwave Background (CMB). This thesis focuses on the data analysis of the observations of the Planck satellite and that of the ground-based camera NIKA installed at the IRAM-30m telescope.The first part introduces the context, focussing on: 1) the inflation, which provides a natural origin for the matter fluctuations seen in the Universe; 2) the reionization, which corresponds to the moment when the first stars form; 3) clusters of galaxy, that are the building blocks of the more recent Universe.The second part focuses on the data reduction of the NIKA data. The development of the data reduction pipeline, allowing to go from raw data to maps, is presented. It is dedicated for the newly developed kinetic inductance detectors used by NIKA. Tools and simulations are also constructed to characterize the maps.The third part is dedicated to the observation and the analysis of galaxy clusters through the Sunyaev-Zel'dovich (SZ) effect, i.e. the inverse Compton interaction of CMB photons and free electrons in clusters. Once recovered, the SZ maps are combined to X-ray data to measure the matter content and thermodynamic properties of the observed clusters. The main results are: the first observation of the SZ effect with kinetic inductance detectors, the measurement of the pressure profile of a high redshift cluster ($z=0.89$), the study of point source contamination in a resolved cluster, and the SZ mapping in a triple merger.The last part is dedicated to the analysis of Planck polarization data. In particular, we discuss large angular scale systematics and the tools developed to identify and correct for them. The large scales CMB polarization data allows both to search for the imprint of the quantum fluctuations generated during inflation, and to measure the reionization.