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

В современной экспериментальной физике и квантовых вычислениях существует проблема, известная как «низкоэнергетический избыток» (Low Energy Excess, или LEE). Это неустранимый фоновый шум, который регистрируют сверхчувствительные детекторы, работающие при температурах, близких к абсолютному нулю.

Долгое время природа этого шума была никому не понятна. Инженеры и ученые предполагали, что источником помех служат внешние факторы: радиационный фон, вибрации установки или микроскопические дефекты на поверхности материалов. Новое исследование коллаборации TESSERACT, опубликованное в октябре 2025 года, отрицает правильность этих предположений. Экспериментальные данные указывают на то, что источник проблем находится внутри самого материала — в кристаллической решетке кремния.

Это открытие окажет влияние на две передовые области науки: поиск темной материи и создание квантовых компьютеров.

Проблема фонового шума

Для регистрации редких событий, таких как взаимодействие частиц темной материи с обычным веществом, используются детекторы, способные уловить мельчайшие изменения энергии. Эти устройства, как правило, работают на основе сверхпроводящих материалов и охлаждаются до температур ниже 50 милликельвинов. В таких условиях тепловое движение атомов практически останавливается, что позволяет фиксировать даже единичные кванты вибрации.

Однако на практике детекторы постоянно регистрируют поток событий низкой энергии, происхождение которых до сих пор не удавалось точно установить. Этот шум создает туман, сквозь который невозможно разглядеть реальные сигналы от частиц темной материи или нейтрино. Аналогичная проблема наблюдается в квантовых процессорах: кубиты (квантовые биты) теряют свое состояние (декогерируют) из-за неустановленных помех.

Основная рабочая версия гласила, что шум возникает на поверхности кремниевых подложек, на которых строятся чипы. Предполагалось, что микротрещины, окисление или загрязнения, возникшие при обработке, накапливают механическое напряжение и затем сбрасывают его. Однако исследование TESSERACT показало, что полировка поверхности не решает проблему.

Архитектура эксперимента: объем против площади

Чтобы однозначно определить источник шума, исследователи разработали сравнительный эксперимент. Были изготовлены два детектора на основе высокочистого кремния. Их конструкция была идентична, за исключением одного параметра — толщины подложки.

1. Первый детектор: толщина кремниевой основы 1 мм.
2. Второй детектор: толщина кремниевой основы 4 мм.

Площадь лицевой поверхности обоих детекторов составляла 1 квадратный сантиметр. Это было важным условием эксперимента.

Логика исследования строилась на принципе масштабирования:

• Если источник шума находится на поверхности (дефекты обработки, оксидная пленка), то количество зарегистрированных событий в обоих детекторах должно быть одинаковым, так как их площадь равна.
• Если источник шума находится в объеме самого кристалла (внутри кремния), то количество событий должно зависеть от массы вещества. Следовательно, детектор толщиной 4 мм должен демонстрировать уровень шума примерно в четыре раза выше, чем детектор толщиной 1 мм.

В течение 12 дней непрерывных измерений ученые фиксировали частоту и энергию возникающих импульсов. Результаты полностью подтвердили гипотезу объемного происхождения шума. Частота событий в более массивном образце линейно зависела от его объема и массы, а не от площади поверхности.

Физический механизм: релаксация кристаллической решетки

Источником регистрируемых сигналов являются так называемые атермальные фононы. Фонон — это квазичастица, описывающая колебательное движение атомов в кристаллической решетке. Термин «атермальные» означает, что эти колебания не связаны с общим нагревом детектора, а представляют собой направленные выбросы энергии.

Даже самый чистый монокристалл кремния, используемый в электронике, не является идеальной структурой. В процессе производства, резки и последующего глубокого охлаждения в кристаллической решетке возникают механические напряжения. Система стремится перейти в состояние с минимальной энергией, что приводит к процессу релаксации.

В случайные моменты времени напряжение в локальной области кристалла сбрасывается. Это порождает всплеск фононов, который распространяется по кристаллу со скоростью звука. Когда этот поток энергии достигает поверхности, где расположены чувствительные элементы (сверхпроводящие сенсоры), он регистрируется как событие.

Исследователи смогли вычислить среднюю энергию таких спонтанных выбросов. Она составила 0,68 +- 0,38 миллиэлектронвольт (мЭв). Эта величина и объясняет, почему современные квантовые устройства работают со сбоями.

Угроза для сверхпроводимости: разрыв куперовских пар

Современные квантовые сенсоры и кубиты часто изготавливаются из алюминия, который при сверхнизких температурах переходит в сверхпроводящее состояние. Сверхпроводимость обеспечивается объединением электронов в пары (куперовские пары), которые могут двигаться по металлу без сопротивления.

У куперовских пар есть предел прочности, называемый «энергетической щелью». Для алюминия эта величина составляет приблизительно 0,36 мЭв. Если на сверхпроводник воздействует энергия выше этого порога, пары разрушаются.

Данные эксперимента показывают прямую угрозу: энергия внутренних выбросов из кремниевой подложки (0,68 мЭв) почти в два раза превышает предел прочности сверхпроводящего состояния алюминия (0,36 мЭв).

Это приводит к явлению, которое физики называют «отравлением квазичастицами»:

1. В толще кремния происходит сброс механического напряжения.
2. Фононный импульс ударяет в алюминиевый сенсор или кубит.
3. Энергия импульса разрывает связи между электронами.
4. Образуются свободные квазичастицы, которые хаотично движутся и взаимодействуют с квантовой системой, разрушая ее когерентность (способность находиться в квантовом состоянии).

Временная динамика и релаксация

Важным наблюдением в ходе работы стала зависимость уровня шума от времени. Ученые заметили, что частота возникновения паразитных импульсов постепенно снижается после первоначального охлаждения установки.

Это наблюдение согласуется с теорией релаксации напряжений. Охлаждение материала с комнатной температуры до почти абсолютного нуля создает сильный термический стресс. Кристаллической решетке требуется время (порядка нескольких недель), чтобы успокоиться и прийти в новое равновесное состояние. Даже спустя 12 дней уровень шума оставался значимым, что говорит о длительном характере процессов релаксации в кремнии.

Последствия для индустрии и фундаментальной науки

Результаты работы TESSERACT заставляют пересмотреть подходы к проектированию высокоточных устройств. Ранее основные усилия инженеров были направлены на защиту детекторов от внешнего мира — создание свинцовых экранов, подавление вибраций, магнитная защита. Теперь становится очевидно, что идеальная изоляция не решит проблему, так как источник помех встроен в саму основу устройства.

Это влечет за собой несколько выводов:

1. Ограничение чувствительности детекторов темной материи. Существующие методы поиска легких частиц темной материи могут упереться в «кремниевый предел». Сигналы от искомых частиц энергетически неотличимы от сигналов внутренней релаксации кристалла. Для дальнейшего прогресса потребуется разработка алгоритмов, способных разделять эти события, либо отказ от массивных кремниевых мишеней.
2. Проблемы масштабирования квантовых компьютеров. Сверхпроводящие квантовые процессоры строятся на кремниевых чипах. По мере увеличения количества кубитов и размера чипа вероятность возникновения фононного всплеска в подложке будет расти. Это создаст неустранимый фон ошибок, который невозможно скорректировать программными методами.
3. Поиск новых материалов. Индустрии, возможно, придется искать замену кремнию для задач криогенной электроники. Необходимы материалы с более стабильной кристаллической решеткой при сверхнизких температурах или технологии, позволяющие акустически изолировать активные элементы (кубиты) от подложки (например, использование подвешенных мембран).

Заключение

Оказалось, проблема «низкоэнергетического избытка» была не из разряда технических недоработок, а из категории фундаментальных свойств материалов. Кремний, являющийся основой всей современной вычислительной техники, проявил свои физические ограничения при переходе в квантовый режим.

Понимание механизма генерации атермальных фононов позволяет физикам перейти от слепых попыток устранения шума к целенаправленному инженерному решению. Однако это решение потребует либо изменения архитектуры квантовых устройств, либо перехода на принципиально новые материалы, лишенные внутренних дефектов кремниевой решетки.

Источник:arXiv