Onderzoekers zijn erin geslaagd een innovatieve methode te ontwikkelen waarmee elektrische ruis op nanoschaal in siliciumcarbide kan worden gedetecteerd terwijl het materiaal zich op kamertemperatuur bevindt. Deze technologische doorbraak maakt het mogelijk om zeer kleine bronnen van ladingsdefecten nauwkeurig in kaart te brengen, een proces dat essentieel is voor het verbeteren van de prestaties van moderne halfgeleiders.
De efficiëntie van hedendaagse halfgeleidercomponenten wordt sterk bepaald door de elektrische omstandigheden op nanoschaal. Tot op heden boden conventionele meetmethoden onvoldoende ruimtelijke resolutie om specifieke microscopische ruisbronnen of variaties in ladingen op nanoschaal effectief te identificeren. Om dit probleem op te lossen, hebben wetenschappers gebruikgemaakt van quantumspectroscopie. Deze benadering steunt op de principes van de britannica.com, waarbij de eigenschappen van materie en energie op atomaire schaal worden benut voor uiterst precieze metingen.
Het onderzoeksteam, waaronder Jinpeng Liu en Fazhan Shi, maakte gebruik van specifieke PL5-kleurcentra in commercieel verkrijgbaar siliciumcarbide (SiC). Deze centra dienen als quantumspectrometers die functioneren bij kamertemperatuur en in staat zijn om een breed scala aan frequenties te registreren, van nabij-DC tot de gigahertz-band. Volgens een publicatie op arxiv.org is dit de eerste keer dat men in staat was om de dynamiek van single-charge tunneling in real-time te observeren bij kamertemperatuur binnen 4H-SiC. Dit werd bereikt door het monitoren van zogenaamde 'random telegraph noise' via optically detected magnetic resonance (ODMR).
Door deze nieuwe aanpak konden de wetenschappers een techniek voor elektrische ruis-imaging implementeren. Hierbij werd waargenomen dat er significante verschillen in ruis optreden tussen verschillende wafers. Met behulp van methoden zoals dynamical decoupling en $T_1$ relaxatiespectroscopie konden correlaties worden vastgesteld in de spectrale dichtheid van de ruis over diverse frequentiebanden. Daarnaast slaagde het team erin de nanoscale electron paramagnetic resonance (EPR) vingerafdruk van spin-defecten in het materiaal vast te leggen, wat een dieper inzicht geeft in de interactie tussen kristalroosterdefecten en de elektrische omgeving.
Een cruciaal onderdeel van het onderzoek was het opsporen van de exacte oorzaak van de elektromagnetische fluctuaties. Door middel van oppervlaktechemische engineering konden de onderzoekers aantonen dat de natuurlijke oxidelaag de primaire bron is van de gedetecteerde ruis op nanoschaal. In de van het project wordt gesteld dat dit werk een veelzijdig platform voor atomaire metrologie creëert, waardoor een brug wordt geslagen tussen quantum sensing en semiconductor engineering.
De resultaten van dit onderzoek bieden fundamentele inzichten voor het optimaliseren van interfaces in halfgeleiders van de derde generatie en de verdere ontwikkeling van solid-state quantumtechnologieën. De studie, die oorspronkelijk op 27 december 2025 werd ingediend en in een herziene versie op 30 oktober 2026 verscheen via , markeert een belangrijke vooruitgang in het begrip van hoe quantumdefecten interageren met de materiaalomgeving in commerciële halfgeleiders.