Solía trabajar en cavidades de radiofrecuencia superconductoras para aceleradores de partículas, y consideré seriamente estudios de posgrado en lo que se conoce como 'fuentes de luz coherente', también conocidas como láseres de rayos X. Aquí está cómo funcionan y son el futuro de la producción de chips. Es súper genial.

Primero, ¿por qué láseres de rayos X? El tamaño de las cosas que puedes ver con luz, o los patrones que puedes hacer con ella (como en la litografía de chips) dependen de la longitud de onda. Esto se llama el límite de difracción y limita la resolución de cosas como microscopios y telescopios.

Pero, los microscopios y telescopios observan luz incoherente, lo que significa que longitudes de onda en diferentes fases están todas mezcladas. Si alineas los picos de las ondas, obtienes luz coherente que te permite ver cosas incluso más pequeñas que la longitud de onda utilizada.

Cuando dos haces de luz coherente interfieren, ligeras diferencias en la posición de los picos de las ondas producen un patrón de interferencia con un espaciado menor que la propia longitud de onda. Una analogía mecánica es usar un calibrador Vernier para medir distancias mucho más pequeñas que las marcas.

La litografía de chips EUV actual utiliza un láser de CO2 con una longitud de onda de ~1e-6m que impacta en una gota de estaño. El estaño se calienta para formar un plasma, con toneladas de electrones siendo elevados a estados excitados. Cuando regresan a su estado original, liberan luz proporcional a la diferencia de energía.

El estaño es el 'material ideal' para esto porque hay una alta densidad de estados electrónicos que se agrupan alrededor de la longitud de onda de 13.5 nm Un láser "verdadero" generalmente excita solo un estado específico para obtener un "ancho de línea" estrecho o una sola longitud de onda, pero esto puede ampliarse por colisiones, etc.

Las características de menor tamaño en un chip están limitadas por estas cosas: la longitud de onda de la luz, cuán estrecho o amplio es el espectro de emisión, etc. Entonces, ¿por qué no simplemente encontramos transiciones atómicas de mayor energía para obtener longitudes de onda aún más pequeñas y hacer un láser de rayos X?

El problema es que la energía asociada con la transición depende de cuán fuertemente un electrón está unido a un núcleo, por lo que las transiciones de alta energía significan un núcleo que tiene un montón de protones, y el electrón está 'profundo' en la pila de orbitales. Esto es difícil de bombear ópticamente y mantener una inversión de población estable. Significa despojar enormes cantidades de la nube de electrones para 'excavar profundo', lo que significa esencialmente formar un plasma. Esto es exactamente lo que está haciendo la ablación por gota de estaño láser: formando un plasma de corta duración para acceder a transiciones electrónicas profundas y obtener luz de alta energía.

¿Entonces, cómo hacemos un láser de rayos X? Decimos: olvídate de las transiciones electrónicas por completo. Vamos a trabajar con los electrones mismos, acelerarlos en un haz de partículas y luego sacudirlos violentamente con campos magnéticos. Aquí es donde se pone interesante.

Acelerar haces de electrones significa producir campos eléctricos de alta intensidad para darles mucha energía. Si es un campo constante, terminas obteniendo descargas eléctricas, emisiones de partículas; se rompe con el tiempo. Si es un campo alternante, el campo promedio en el tiempo es cero. Pero, los campos eléctricos alternantes crean campos magnéticos cambiantes que inducen corrientes transitorias.

Las corrientes transitorias normalmente perderían mucha energía en la superficie del conductor circundante, por lo que las cavidades de aceleradores de partículas modernos están hechas de un material superconductor llamado niobio. Las cavidades de radiofrecuencia superconductoras son una tecnología extremadamente madura - en CERN, etc.

Un problema, sin embargo, es que como el campo eléctrico es de CA, la mitad del tiempo apunta en la dirección opuesta. Así que agrupas las partículas para que 'pierdan' el campo de desaceleración y solo vean el campo de aceleración.

Un punto interesante es que la masa de un electrón es solo 511 keV/c^2, lo que significa que si lo aceleras con un campo de 1 mega-volt, entonces la mitad de su energía total es cinética, la otra es masa (E=mc^2). Esto significa que ya está al 94% de la velocidad de la luz. Esto es importante...

Porque significa que puedes apilar largas secciones de cavidades SRF unas sobre otras que operan de manera sincrónica. Las cavidades SRF pueden alcanzar 30 megavoltios/metro, y las instalaciones de rayos X las alinean por milla LCLS-2 en Stanford tiene electrones a 4 GeV

A estas velocidades relativistas, puedes aumentar la energía del grupo de partículas en 1000x y solo cambiar su velocidad real en más del 1% - sí, la relatividad es extraña. Por qué esto es importante es cómo se producen realmente los rayos X cuando los electrones se mueven entre imanes.

Cuando haces pasar un electrón a través de un campo magnético, siente la fuerza de Lorentz y cambia de dirección; esta aceleración hace que emita algunos fotones. En un "Láser de Electrones Libres", haces pasar electrones a través de una larga serie de imanes alternos para hacer que se muevan y emitan fotones.

Dado que los electrones están a una velocidad de ~1c, se mueven a la misma velocidad que los fotones que emiten. El campo eléctrico de estos fotones interactúa entonces con los electrones para atraer los grupos de electrones más cerca unos de otros, de un espaciado de mm a nm.

Así es como los láseres de electrones libres se "autoamplifican": a medida que el campo de fotones de los electrones agrupa a los electrones más cerca, los nuevos fotones emitidos se apilan cada vez más cerca.

Al final del FEL desvias los haces de electrones y te quedas con un láser de alta potencia y longitud de onda extremadamente pequeña que puede imágenes átomos / moléculas individuales. ¡O, producir las características de chip más pequeñas de la historia!

nota al margen: un enfoque más nuevo que compite con las líneas de haz de cavidad SRF de milla de largo es usar un plasma como medio de aceleración, que puede lograr campos eléctricos 1000 veces más altos que una cavidad SRF (que están limitados por la ruptura y otros efectos). La desventaja es una menor luminosidad del haz de electrones, pero puedes 'apilar' múltiples aceleradores de plasma de campo de despertar juntos para obtener más y más bunches de electrones en tu wiggler.