Альфа-частица — это ядро гелия, которое вылетает при распаде тяжёлых атомов. Попадая в кристалл нитрида галлия, она отдаёт ему свою энергию и рождает электрический импульс. По высоте импульса можно узнать, сколько энергии было у частицы. Но на пути к чувствительной зоне частица теряет часть сил в так называемом мёртвом слое — тонкой нерабочей области у поверхности. Чем тоньше этот слой, тем точнее замер.

Инженеры вырастили кристалл нитрида галлия слой за слоем, как торт, и добавили охранное кольцо — специальный электрод, который отводит паразитные токи по краям. В результате мёртвый слой составил всего 20 нанометров — это в сотни раз тоньше человеческого волоса. При обратном напряжении 200 вольт ток утечки оказался ничтожным: 2,195 наноампера, примерно как ток через выключенный транзистор в телефоне. А при 260 вольтах детектор собирал 95,9% заряда и различал энергии с точностью 2,69%.

Но главное открытие касается «хвоста» на графике энергий. Иногда детектор показывает не один чёткий пик, а длинный пологий склон слева — будто часть частиц пришла ослабленной. Долгое время причину искали в шумах или несовершенстве кристалла. Авторы работы впервые смоделировали процесс в программе Geant4 и увидели: виновата неравномерность обеднённой зоны. Эта зона — рабочий объём детектора, где электрическое поле собирает заряд. Если её толщина чуть-чуть различается в разных точках, часть энергии утекает в «молчащие» области, и сигнал получается заниженным.

Модель, построенная на этом принципе, совпала с экспериментом. Теперь разработчики знают, куда смотреть: чтобы убрать хвост, нужно делать обеднённую зону как можно более плоской и однородной. Такие детекторы пригодятся в космических аппаратах, где альфа-частицы бомбардируют электронику, и в ядерных лабораториях, где важно точно знать энергию каждой частицы.