Поиск тёмной материи придется переизобрести: детекторы годами «слышали» собственную подложку

Кремний — основа современной электроники. Но при охлаждении до температур, близких к абсолютному нулю, он начинает «шуметь». Этот шум мешает искать темную материю и строить мощные квантовые компьютеры. Разбираемся, почему внутри кристалла рождаются помехи и как это угрожает прогрессу.

Проблема, которую списывали на грязь

Сверхчувствительные детекторы ловят единичные кванты энергии. Но они регистрируют странный фон — низкоэнергетический избыток (LEE). Раньше думали: виноваты радиация, вибрации, дефекты обработки. Но оказалось — источник внутри самого кремния.

Цифры: средняя энергия спонтанных выбросов — 0,68 мэВ. Для сравнения, сверхпроводящий алюминий (из которого делают многие квантовые сенсоры) разрушается уже при 0,36 мэВ. То есть каждый такой выброс разрывает куперовские пары — основу сверхпроводимости.

Эксперимент TESSERACT: объем против площади

Исследователи изготовили два одинаковых детектора из высокочистого кремния. Отличались они только толщиной подложки.

Результат однозначный: частота событий зависит от массы, а не от площади. Шум рождается в объеме кристалла, а не на поверхности. Никакая полировка не спасет.

Если бы шум был поверхностным, оба детектора шумели бы одинаково. Но толстый шумит в 4 раза сильнее. Значит, источник — внутренности кремния.

Как рождаются атермальные фононы

В кристаллической решетке кремния после охлаждения возникают механические напряжения. Со временем они сбрасываются — это релаксация. В случайный момент лопается микроскопическая «пружина» и выделяется энергия в виде фононов — квантов колебаний. Эти фононы распространяются по кристаллу, достигают сенсоров и регистрируются как события.

Мои знакомые физики жаловались: после запуска криостата первые две недели данные «плывут». Теперь ясно — это релаксация. Недавно я заметил, что в лабораториях часто выключают установку на выходные, а в понедельник снова ловят шум. Хотя напряжение в кристалле могло бы «успокоиться» за непрерывную работу.

Микро-инструкция: что делать инженеру

• После охлаждения дайте системе «отстояться» минимум 10–14 дней.
• Измеряйте уровень шума каждый день — он должен падать.
• Если не падает — ищите другие источники (например, проблемы с вакуумом).

Удар по квантовым компьютерам

Сверхпроводящие кубиты делают на кремниевых подложках. Когда в подложке рождается фонон (0,68 мэВ), он попадает в алюминиевый сенсор. Энергия выше «энергетической щели» алюминия — куперовские пары разрываются. Возникают свободные квазичастицы, которые разрушают квантовое состояние кубитов. Это называется «отравление квазичастицами».

Последствия: чем больше кубитов, тем больше вероятность ошибки. Программная коррекция не поможет — шум физический. Придется либо менять материал подложки, либо делать акустическую развязку (например, подвешивать кубиты на мембранах).

Что дальше

Детекторы темной материи уперлись в «кремниевый предел» — сигналы от гипотетических частиц не отличить от внутреннего шума кристалла. Нужны либо новые алгоритмы отбора, либо отказ от кремния. Квантовые вычисления тоже под вопросом — каждый миллиграмм кремния добавляет риск декогеренции.

Мое мнение: кремний исчерпал себя для криогенной электроники. Будущее за материалами с более стабильной решеткой — алмаз, карбид кремния, или вовсе за акустической изоляцией. Это не значит, что кремний умрет в обычных процессорах. Но в области квантов и поиска темной материи придется искать обходные пути.

Главный вывод: шум внутри кристалла — не брак, а фундаментальное свойство. Его нельзя убрать фильтрами. Только менять конструкцию.