我曾經在粒子加速器的超導射頻腔上工作，並且強烈考慮過研究所學習所謂的「相干光源」，也就是X射線激光。 這是它們的工作原理，也是晶片生產的未來。這真的超酷。

首先，為什麼選擇X射線激光？你能用光看到的物體大小，或用光製作的圖案（如在晶片光刻中）取決於波長。 這被稱為衍射極限，限制了顯微鏡和望遠鏡等設備的解析度。

但是，顯微鏡和望遠鏡觀察的是不相干的光，這意味著不同相位的波長都是混在一起的。 如果你將波的峰值對齊，你就會得到相干光，這讓你能夠看到比所使用的波長更小的東西。

當兩束相干光相互干涉時，波峰位置的微小差異會產生一種干涉圖樣，其間距小於波長本身。 一個機械類比是使用游標卡尺來測量遠小於刻度的距離。

目前的EUV晶片光刻技術使用波長約為1e-6m的二氧化碳激光，該激光擊中一滴錫。錫被加熱以形成等離子體，數以千計的電子被推送到激發態。 當它們回落時，會釋放出與能量差成正比的光。

錫是這個的「理想材料」，因為在 13.5 nm 波長附近有高密度的電子態 一個「真正的」激光通常只激發一個目標態，以獲得狹窄的「線寬」或單一波長，但這可以因碰撞等原因變得更寬。

晶片上最小的特徵尺寸受到這些因素的限制——光的波長、發射光譜的窄或寬等。 那麼，為什麼我們不找更高能量的原子躍遷來獲得更小的波長，並製造一個X射線激光器呢？

問題在於，與過渡相關的能量取決於電子與原子核的束縛程度，因此高能過渡意味著擁有大量質子的原子核，而電子則"深"藏在軌道堆疊中。 這很難進行光學泵浦，並維持穩定的人口反轉。這意味著需要剝離大量的電子雲以"挖深"，這基本上意味著形成等離子體。 這正是激光錫液滴消融所做的 - 形成短暫的等離子體以訪問深層電子過渡，從而獲得高能光。

那麼我們如何製造X射線激光？我們說 - 完全忘記電子躍遷。 我們將直接使用電子，將它們加速到粒子束中，然後用磁場猛烈地搖動它們。 這就是它變得酷的地方。

加速電子束意味著產生極高強度的電場，以賦予它們大量的能量。 如果是恆定電場，最終會產生電放電、粒子排放——隨著時間的推移會破壞。 如果是交變電場，時間平均電場為零。但是，交變電場會產生變化的磁場，從而誘導瞬態電流。

瞬態電流通常會在周圍導體表面損失大量能量，這就是為什麼現代粒子加速器腔體是由一種稱為鈮的超導材料製成的。 超導射頻腔體是一項極為成熟的技術 - 在CERN等地。

不過一個問題是，由於電場是交流的，半數時間它指向相反的方向。 因此，你將粒子聚集起來，讓它們「錯過」減速場，只看到加速場。

一個有趣的附帶點是，電子的質量只有511 keV/c^2，這意味著如果你用1兆伏特的電場加速它，那麼它的總能量一半是動能，另一半是質量（E=mc^2）。 這意味著它已經達到光速的94%。這是重要的...

因為這意味著你可以將長段的 SRF 腔體堆疊在一起，並且它們可以同步運作。SRF 腔體可以達到每米 30 兆伏特，而 X 光設施則將它們排成一英里長。 斯坦福的 LCLS-2 擁有 4 GeV 的電子。

在這些相對論速度下，您可以將粒子束的能量提高1000倍，而其實際速度僅改變>1% - 是的，相對論很奇怪。 這為什麼重要，是因為當電子在磁鐵之間擺動時，X射線實際上是如何產生的。

當你將電子通過磁場時，它會感受到洛倫茲力並改變方向——這種加速度使它釋放出一些光子。 在「自由電子激光」中，你將電子通過一系列交替的磁鐵，使它們擺動並釋放光子。

由於電子的速度約為 ~1c，它們以與所發射的光子相同的速度運行。 這些光子的電場隨後與電子相互作用，將電子束拉得更近 - 從毫米間距到納米間距。

這就是自由電子激光如何「自我增幅」的方式——當電子束中的光子場使電子更靠近時，發射的新光子會越來越緊密地堆疊在一起。

在FEL結束時，您將電子束偏轉，留下高功率、極小波長的激光，可以成像單個原子/分子。 或者，製造歷史上最小的晶片特徵！

附註：一種與長達一英里 SRF 腔體束流線競爭的新方法是使用等離子體作為加速介質，這可以實現比 SRF 腔體高出 1000 倍的電場（SRF 腔體受到擊穿和其他效應的限制）。 缺點是電子束亮度較低，但您可以將多個波場等離子體加速器「堆疊」在一起，以便將越來越多的電子束進入您的擺動器。