Spontaneous generation of athermal phonon bursts within bulk silicon causing excess noise, low energy background events and quasiparticle poisoning in superconducting sensors

Dit artikel beschrijft hoe spontane athermale fononuitbarstingen in de bulk van siliciumsubstraten, waarvan de frequentie lineair toeneemt met de dikte, een belangrijke bron vormen van achtergrondruis en quasiparticle poisoning in supergeleidende sensoren, wat leidt tot een wereldrecord energieoplossend vermogen van 258,5 meV in een 1 mm dik detector.

De kern

Titel: De Stille Kracht van een Stofje: Waarom Siliciumchips "Ruisen" en Wat Dat Betekent

Stel je voor dat je in een volledig geluidloze kamer zit, zo stil dat je je eigen hartslag kunt horen. Je probeert een heel zacht gefluister te horen, misschien een boodschap van een verre ster of een spookdeeltje uit de donkere materie. Maar dan... krak. Een klein, onverklaarbaar geluidje. En nog een. En nog een.

Dat is precies waar wetenschappers mee te maken kregen met hun ultra-gevoelige siliciumdetectoren. Ze zochten naar het onvindbare, maar hun eigen apparatuur maakte een eigen, mysterieus lawaai.

In dit artikel leggen we uit wat ze ontdekten, met behulp van een paar simpele vergelijkingen.

1. Het Probleem: De "Geest" in de Machine

Deze detectoren zijn als de meest gevoelige oren ter wereld. Ze zijn gemaakt van silicium (hetzelfde materiaal als in je computerchip) en zijn zo koud dat ze bijna bevriezen (koudere dan de ruimte!). Ze moeten de allerminste energie kunnen voelen, zoals een deeltje dat net even een zetje geeft.

Maar er was een probleem: er was een "Low Energy Excess" (LEE). Dat is een vakterm voor: "Er gebeurt hier iets dat we niet kunnen verklaren."
De detectoren zagen duizenden kleine "knipperlichtjes" (geluidjes) die te zwak waren om echte deeltjes te zijn, maar te sterk om gewoon ruis te zijn. Het was alsof er duizenden muisjes in de muur liepen, terwijl je dacht dat de kamer leeg was.

2. Het Experiment: De Dikke vs. De Dunne

Om uit te vinden waar dit vandaan kwam, bouwden de wetenschappers twee bijna identieke detectoren. Het enige verschil? De dikte van het siliciumblok eronder.

• Detector A: Een dun blokje (1 mm dik).
• Detector B: Een dik blokje (4 mm dik).

Je kunt dit vergelijken met twee boeken. Het ene is een dun pocketboekje, het andere een dikke encyclopedie. Als je op de boeken slaat, welke maakt dan meer geluid?

Het Resultaat:
De dikke detector (de encyclopedie) maakte vier keer zoveel van die mysterieuze geluidjes als de dunne detector.
Dit was de grote doorbraak. Het betekende dat het probleem niet zat in de "oren" van de detector (de metalen sensoren erop), maar in het siliciumblok zelf. Het geluid kwam uit het binnenste van het materiaal.

3. De Oorzaak: Een Bevroren IJsberg die Smelt

Waarom maakt een dikker blok meer geluid?
Stel je voor dat het siliciumblok een ijsberg is die net uit de oven komt en dan heel snel wordt afgekoeld. Door die snelle afkoeling blijven er kleine spanningen en "krassen" in het kristalstructuur achter. Het is alsof het materiaal in een soort "gefrustreerde" staat zit.

Naarmate de tijd verstrijkt (na het afkoelen), begint het materiaal zich langzaam te ontspannen. Die kleine spanningen laten los, net als een veer die langzaam uitrekt.

• Het Analoge Geluid: Elke keer als zo'n spanning loslaat, schudt het materiaal een heel klein beetje. Dit schudden is een fonon (een trilling van atomen).
• De Explosie: Soms laat één spanning los, en dat zorgt voor een kettingreactie waarbij honderden andere spanningen ook loslaten. Dat noemen ze een "fonon-burst" (een explosie van trillingen).

Omdat de dikke detector meer materiaal heeft, heeft hij ook meer van die "gefrustreerde" plekken. Dus: meer materiaal = meer loslatende spanningen = meer ruis.

4. De Tijdseffecten: Het Kalmeren van de Storm

Het mooie van dit onderzoek is dat ze zagen dat het lawaai minder werd naarmate de tijd verstreek.

• Dag 1: Een storm van geluidjes.
• Dag 12: De storm is gaan liggen, het is veel rustiger.

Dit is als een nieuwe matras. Als je er net op gaat liggen, kraakt en piept hij overal. Maar na een paar weken is het materiaal "ingelopen" en is hij stil. De wetenschappers zagen dat de "geest" in de machine langzaam verdween naarmate het materiaal zich aanpaste aan de kou.

5. Waarom is dit belangrijk? (Niet alleen voor deeltjesjagers)

Je zou kunnen denken: "Oké, dat is interessant voor mensen die naar donkere materie zoeken, maar wat heb ik daar aan?"

Het antwoord is: Je computer en je toekomstige quantum-computers.

Deze detectoren gebruiken speciale supergeleidende materialen (die stroom zonder weerstand geleiden). De "fonon-bursts" (die trillingen uit het silicium) slaan echter de supergeleidende eigenschappen kapot. Ze maken kleine "breuken" in de stroom, wat leidt tot fouten.

• Vergelijking: Stel je voor dat je een heel delicate dans uitvoert op een vloer. Als er iemand boven je loopt (de trillingen uit het silicium), val je om.
• Het Gevolg: Deze ontdekking suggereert dat zelfs in een perfect afgeschermd lab, zonder trillingen van buitenaf, het silicium zelf trillingen kan maken die quantum-computers verstoren. Dit verklaart waarom quantum-computers soms fouten maken, zelfs als ze perfect zijn afgeschermd.

Conclusie: De Les van de Stille Kracht

Deze wetenschappers hebben ontdekt dat het materiaal waar onze technologie van gemaakt is, niet altijd passief is. Het kan "leven" en "reageren" door interne spanningen los te laten.

• De les: Als je iets heel precieze wilt meten (of een quantum-computer wilt bouwen), moet je niet alleen kijken naar wat er buiten gebeurt, maar ook naar wat er binnenin het materiaal gebeurt.
• De oplossing: Door te weten dat dikker materiaal meer ruis maakt, kunnen ingenieurs in de toekomst betere materialen kiezen of hun chips anders ontwerpen om deze "geest" in de machine te temmen.

Kortom: Het was een zoektocht naar een spook, en ze ontdekten dat het spook eigenlijk de eigen geest van het silicium was, die langzaam aan het kalmeren was.

Technische samenvatting

Titel: Spontane generatie van athermische fononpulsen in bulk silicium die excessieve ruis, achtergrondgebeurtenissen op lage energie en quasiparticle-vergiftiging in supergeleidende sensoren veroorzaken.

Auteurs: C.L. Chang et al. (TESSERACT Collaboration)
Publicatiedatum: 6 oktober 2025 (voorgesteld)

---

1. Het Probleem

Solid-state fonondetectoren, die essentieel zijn voor het zoeken naar donkere materie en het detecteren van coherent elastisch neutrino-kernverstrooiing (CEνNS), vereisen uitzonderlijke energie-oplossing (op de eV-schaal of lager) en zeer lage achtergrondniveaus.
Echter, huidige lage-drempeldetectoren vertonen orders van grootte meer achtergrondgebeurtenissen onder de 100 eV dan verwacht op basis van radioactiviteit of kosmische straling. Dit fenomeen staat bekend als de "Low Energy Excess" (LEE).
Deze LEE wordt onderverdeeld in twee categorieën:

• "Single" events: Energie wordt voornamelijk in één kanaal gedeponeerd (geassocieerd met de metaalfilms van de sensor zelf).
• "Shared" events: Energie wordt gelijk verdeeld over alle kanalen, wat suggereert dat de oorsprong in het substraat ligt.

Daarnaast wordt er excessieve "shot noise" (schotruis) waargenomen veroorzaakt door sub-drempelgebeurtenissen. De exacte oorsprong van deze achtergronden en ruis was onbekend, wat de prestaties van deze sensoren en supergeleidende qubits beperkt.

2. Methodologie

De auteurs hebben een experiment uitgevoerd om de oorsprong van deze ruis en achtergronden te identificeren door de schaalvergroting te testen met de dikte van het substraat.

• Opstelling: Twee bijna identieke siliciumdetectoren van $1 \text{ cm}^2$ werden gebruikt, die zich uitsluitend onderscheidden in de dikte van het siliciumsubstraat:
  • Detector A: 1 mm dik (massa: 0,233 g).
  • Detector B: 4 mm dik (massa: 0,932 g).
• Sensoren: Beide detectoren gebruikten Tungsten Transition Edge Sensors (TES) gekoppeld aan aluminium fononverzamelvinnen in een QET-architectuur (Quasiparticle-trap-enhanced Electrothermal-feedback TES).
• Omgeving: De detectoren werden in een verdunningskriostat geplaatst, opgehangen via wire bonds om mechanische achtergronden te minimaliseren, en beschermd tegen IR en EMI.
• Data-analyse:
  • Er werd 12 dagen lang continu data verzameld na afkoeling.
  • Gebruik van optimale filters om fononsignalen te reconstrueren.
  • Analyse van de Cross Power Spectral Density (CSD) om gecorreleerde ruis (tussen kanalen) te onderscheiden van ongecorreleerde ruis.
  • Vergelijking van ruisniveaus en achtergrondraten met eerdere metingen van andere siliciumdetectoren (zoals CPD en SPICE) met verschillende geometrieën.

3. Belangrijkste Bijdragen en Resultaten

A. Schaalvergroting met Substraatdikte

De meest cruciale bevinding is dat zowel de gecorreleerde schotruis als de shared LEE-achtergronden lineair schalen met de dikte (en dus het volume/massa) van het siliciumsubstraat.

• De 4 mm detector vertoonde ongeveer 4 keer meer gecorreleerde ruis en shared achtergrondgebeurtenissen dan de 1 mm detector.
• Dit bewijs sluit de sensorfilms (Aluminium/Tungsten) en de gepolijste boven- en onderkanten van het substraat uit als de dominante bron. De bron moet in het bulk substraat liggen.

B. Tijdsafhankelijkheid

Zowel de gecorreleerde ruis als de shared LEE-raten nemen af naarmate de tijd sinds de afkoeling vordert (relaxatie).

• De ruis en bias-power van de TES namen af volgens een machtwet ($t^{-\kappa}$), waarbij $\kappa \approx 0,635$.
• Er is een sterke lineaire correlatie gevonden tussen de bias-power en de excessieve fonon-shot noise, wat suggereert dat ze door hetzelfde mechanisme worden veroorzaakt.

C. Energie-schaal van Sub-drempelgebeurtenissen

Door de relatie tussen bias-power en excessieve ruis te modelleren, schatten de auteurs de karakteristieke energie ($\varepsilon$) van de sub-drempelgebeurtenissen:

• $\varepsilon = 0,68 \pm 0,38 \text{ meV}$.
• Deze waarde is vergelijkbaar met de supergeleidende bandkloof van aluminium ($2\Delta_{Al} \approx 360 \mu\text{eV}$), wat suggereert dat athermische fononen met energie onder deze drempel geen Cooper-paren breken in de aluminium vinnen, maar wel ruis veroorzaken.

D. Energie-oplossing

In de 1 mm detector werd een wereldrecord energie-oplossing bereikt van $258,5 \pm 0,4 \text{ meV}$ in de gecombineerde kanalen, een verbetering ten opzichte van eerdere generaties.

E. Oorsprong van de Ruis

De schaalvergroting met volume suggereert dat defecten in het kristalrooster van het silicium de oorzaak zijn. Een mogelijke verklaring is de relaxatie van kristalschade (bijvoorbeeld veroorzaakt door neutronen) of thermisch gepopuleerde defecten die bij kamertemperatuur geactiveerd zijn en bij mK-temperaturen relaxeren, waarbij fononpulsen worden vrijgegeven.

4. Significatie en Implicaties

• Voor Donkere Materie Zoeken: Het identificeren van het substraat als de dominante bron van LEE stelt onderzoekers in staat om strategieën te ontwikkelen om deze achtergronden te onderdrukken (bijvoorbeeld door het gebruik van defect-vrijere materialen of specifieke geometrieën), wat essentieel is voor het detecteren van zeldzame gebeurtenissen.
• Voor Supergeleidende Qubits: De paper concludeert dat deze fononpulsen uit het siliciumsubstraat een significante bron zijn van quasiparticle-vergiftiging in supergeleidende qubits en MKID-detectoren. Zelfs in goed afgeschermde en trillingsvrije omgevingen kunnen deze spontane fononpulsen quasiparticles genereren in de supergeleiders, wat de coherentietijd van qubits beperkt.
• Model voor Quasiparticle-dynamica: De auteurs schatten dat de door fononen gegenereerde quasiparticle-dichtheid ($x_{qp}$) in lineaire qubits rond de $10^{-8} - 10^{-7}$ ligt, wat overeenkomt met waarnemingen in moderne qubits. Dit bevestigt dat fonon-gedreven generatie een fundamenteel probleem is in silicium-gebaseerde quantumapparatuur.

Conclusie

De studie biedt overtuigend bewijs dat de "Low Energy Excess" en excessieve ruis in silicium-fonondetectoren voornamelijk worden veroorzaakt door spontane fononpulsen die ontstaan in het bulk siliciumsubstraat, en niet in de sensorfilms zelf. Dit heeft directe gevolgen voor het ontwerp van toekomstige detectoren voor fundamentele fysica en voor het verbeteren van de prestaties van supergeleidende quantumcomputers door het beheersen van substraat-geïnduceerde ruis.