Солнечные батареи и компьютерные чипы нуждаются в идеальных слоях кремния. Любые несовершенства в кристаллической структуре увеличивают риск снижения эффективности или дефектов в процессах переключения.
Международная исследовательская группа проанализировала поведение кремния, подвергнутого мгновенной заморозке. Результаты опубликованы в журнале Physical Review Letters.
Результаты исследования
Результаты показывают, что скорость охлаждения оказывает существенное влияние на структуру поверхностей кремния. Основной механизм может быть аналогичен тому, который действовал во время фазовых переходов в ранней Вселенной вскоре после Большого взрыва.
При низких температурах на поверхности кремния образуются пары атомов кремния, известные как димеры, которые могут наклоняться вправо или влево, как качели. Выше определённой критической температуры — для кремния это 190 Кельвин (−83 °C) — димеры раскачиваются вперёд и назад между двумя состояниями.
Когда они охлаждаются ниже критической температуры, димеры фиксируются в одном из двух состояний, — говорит доктор Гернот Шаллер, руководитель отдела квантовых информационных технологий в Институте теоретической физики HZDR. — Они фактически замораживаются в результате этого фазового перехода.
Более того, отдельные димеры влияют друг на друга. Это влияние зависит от расположения димеров: связь в поперечном направлении сильнее, чем в продольном.
Именно эта сильная так называемая анизотропия в основном отвечает за поведение димеров на поверхности, — говорит Шаллер. — В зависимости от скорости охлаждения мы наблюдаем переход от одномерного поведения к двумерному.
Одномерное означает, что при чрезвычайно быстром охлаждении, более 100 Кельвин в микросекунду, углы наклона димеров выстраиваются в длинные цепочки. Если температура падает медленнее, преобладает двумерное поведение.
В этом случае кремниевые димеры образуют более или менее крупные упорядоченные поверхности, известные как домены, с однородной сотовой структурой. И чем медленнее охлаждение, тем больше домены, — объясняет Шаллер.
Для расчёта структуры кристаллической поверхности исследователи использовали так называемую модель Изинга. Эта математическая модель учитывает углы наклона димеров кремния, которые могут принимать только одно из двух возможных состояний.
Это элегантное описание фазового перехода во время быстрого охлаждения поверхностей кремния благодаря анизотропной модели Изинга — не просто чистая теория. Исследователи также сравнили свои аналитические и численные расчёты с экспериментальными данными.
Изображения высокого разрешения, полученные с помощью сканирующего туннельного микроскопа на мгновенно замороженных поверхностях кремния, показывают структуры, соответствующие моделированию. Можно увидеть как протяжённые двумерные сотовые структуры, так и резкие одномерные границы между зигзагообразными цепочками.
Тёмная материя
Тёмная материя, тип материи, которая не излучает, не поглощает и не отражает свет, по прогнозам, составляет большую часть массы Вселенной. Хотя теоретические предсказания намекают на её обилие, обнаружение этой неуловимой материи до сих пор оказывалось очень сложным, оставляя её состав и происхождение загадкой.
Одна из широко исследуемых гипотез состоит в том, что тёмная материя состоит из слабо взаимодействующих массивных частиц, или сокращённо WIMP. Эти частицы, как предполагается, взаимодействуют с обычной материей только через гравитацию и потенциально через слабые ядерные силы.
Эксперимент LUX-ZEPLIN (LZ) — это крупномасштабное исследование, направленное на поиск сигналов, связанных с присутствием WIMP, с использованием сложного детектора, известного как двухфазная ксеноновая времяпролётная проекционная камера. Исследователи, участвующие в эксперименте, недавно опубликовали свои последние результаты в статье в Physical Review Letters, которые устанавливают более строгие ограничения на более лёгкие частицы тёмной материи, которые могли бы получить энергию после столкновения с космическими лучами.
«Основная научная цель этой работы заключалась в изучении возможности обнаружения более лёгких частиц тёмной материи, чем обычные WIMP», — сказал Yongheng Xu, участник коллаборации LZ. — «Более лёгкие частицы тёмной материи сложно исследовать в обычных условиях без разгона. Концепция сформировалась в ходе продолжающихся дискуссий с теоретиками, которые помогли уточнить концепцию и определить возможные экспериментальные сигнатуры в эксперименте LZ».
Эксперимент LZ уже добился значительных успехов в поиске гипотетических частиц тёмной материи. Недавно коллаборация LZ установила самые строгие на сегодняшний день ограничения на WIMP, однако детектор, используемый в эксперименте, также может быть использован для поиска других кандидатов в тёмную материю.
«Детектор демонстрирует беспрецедентную чувствительность к широкому спектру новых или редких физических явлений, и мы намерены в полной мере использовать это для расширения поиска частиц тёмной материи», — объяснил Aiham Al Musalhi, участник коллаборации LZ. — «Взаимодействие с низкомассовыми частицами тёмной материи может быть сложным для обнаружения, поэтому мы рассматриваем сценарий, в котором рассеяние с космическими лучами в Млечном Пути придаёт им достаточно энергии, чтобы поднять их в более доступный энергетический режим».
Детектор, используемый коллаборацией LZ, представляет собой двухфазную жидкостную ксеноновую времяпролётную проекционную камеру, камеру, заполненную жидким и газообразным ксеноном, расположенную в подземной исследовательской лаборатории Санфорд (SURF) в Южной Дакоте. Этот детектор может обнаруживать крошечные вспышки света и сигналы ионизации, которые возникают, когда частицы взаимодействуют с атомами ксенона.
«В нашем поиске мы искали редкие события ядерной отдачи, которые могли быть вызваны частицами тёмной материи, ускоренными до релятивистских скоростей космическими лучами — нетрадиционная, но многообещающая сигнатура за пределами стандартных моделей тёмной материи», — пояснил Xu.
В рамках эксперимента LZ Сюй, Аль Мусалхи и их коллеги искали специфические низкоэнергетические сигнатуры в данных, собранных в SURF. Это те сигнатуры, которые они ожидали бы получить в результате столкновений между частицами тёмной материи и ядрами в плотном жидком ксеноне внутри их детектора.
«Мы можем наблюдать эти сигнатуры в нашей двухфазной ксеноновой времяпролётной проекционной камере, которая способна обнаруживать отдельные фотоны и электроны с помощью двух массивов фотоумножителей», — пояснил Аль Мусалхи. — «Природа этих сигналов, которая отличается в зависимости от рассматриваемого кандидата в тёмную материю, хорошо предсказана многими теоретическими работами в литературе, а также с помощью моделирования, основанного на измерениях космических лучей».
Хотя исследователи не наблюдали никаких дополнительных событий, которые могли бы быть связаны с взаимодействиями, которые они исследовали, они в конечном итоге установили новые ограничения на частицы тёмной материи, которые могли бы быть ускорены столкновениями с космическими лучами. В будущих экспериментальных запусках они увеличат время работы детектора, одновременно ища других кандидатов в тёмную материю.
«В настоящее время мы достигаем замечательного согласия между нашими данными и фоновыми моделями», — сказал Сюй. — «Это подчёркивает наше детальное понимание детектора и его отклика. Этот уровень контроля не только придаёт уверенность нашему нулевому результату, но также позволяет нам установить значимые ограничения в ранее неисследованной области пространства параметров, помогая направлять будущие поиски тёмной материи в более перспективных направлениях».
Новые результаты, опубликованные коллаборацией LZ, вскоре могут быть использованы для других поисков частиц тёмной материи, ускоренных космическими лучами, с массами ниже 1 ГэВ/с². На самом деле команда установила новые ограничения на степень, в которой эти частицы могут взаимодействовать с обычной материей, исключив взаимодействия сильнее, чем 3,9×10⁻³³ см² с уровнем достоверности 90%.
«Как и в любом поиске редких физических явлений, нулевой результат не обязательно является плохим; он говорит нам, где не искать (какие модели мы уже протестировали и исключили)», — сказал Аль Мусалхи. — «Мы исключили значительный объём пространства параметров для этих конкретных моделей, хотя многое ещё предстоит исследовать в течение более длительного периода работы и с более крупными детекторами следующего поколения».
Коллаборация LZ всё ещё работает над дальнейшим улучшением чувствительности детектора, расположенного в настоящее время в SURF. В будущем эксперимент может проверить справедливость различных других моделей тёмной материи, потенциально проливая новый свет на природу тёмной материи.
«Разработав глубокое понимание нашего замечательного детектора, мы хотели бы ещё больше расширить его возможности», — сказал Сюй. — «Мы рады использовать этот мощный инструмент для изучения более широкого спектра новой физики, которая приводит к редким и экзотическим явлениям в нашем детекторе, продолжая поиск новой физики, скрывающейся в самых тихих уголках Вселенной».
Ожидается, что эксперимент LZ будет продолжаться до 2028 года. Собирая ещё больше данных, исследователи могут ещё больше сузить область пространства параметров, на которой должны сосредоточиться будущие поиски тёмной материи.
«Всегда есть что улучшить в этом анализе, например, используя направленность галактических космических лучей относительно вращения Земли, что привело бы к сидерической суточной модуляции сигнала, чтобы сузить рамки», — добавил Аль Мусалхи.
© 2025 Science X Network