Solía trabajar en cavidades de radiofrecuencia superconductoras para aceleradores de partículas, y consideré seriamente los estudios de posgrado en lo que se conoce como "fuentes de luz coherentes", también conocidas como láseres de rayos X. Así es como 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 la luz, o los patrones que puedes hacer con ella (como en la litografía de chips) dependen de la longitud de onda. Esto se llama límite de difracción y limita la resolución de cosas como microscopios y telescopios

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

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

La litografía de chip EUV actual utiliza un láser de CO2 con una longitud de onda ~ 1e-6m que golpea una gota de estaño. El estaño se calienta para formar un plasma, con toneladas de electrones que se empujan hacia arriba en estados excitados. Cuando vuelven a caer, 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 objetivo 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, qué tan estrecho o amplio es el espectro de emisión, etc. Entonces, ¿por qué no encontramos transiciones atómicas de mayor energía para obtener longitudes de onda aún más pequeñas y hacemos un láser de rayos X?

El problema es que la energía asociada con la transición depende de qué tan estrechamente unido esté un electrón a un núcleo, por lo que las transiciones de alta energía significan un núcleo que tiene toneladas 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 eliminar grandes cantidades de la nube de electrones para "cavar profundo", lo que significa esencialmente formar un plasma. Esto es exactamente lo que está haciendo la ablación de gotas de estaño con láser: formar un plasma de corta duración para acceder a transiciones profundas de electrones para obtener luz de alta energía.

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

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

Las corrientes transitorias normalmente perderían mucha energía en la superficie conductora circundante, razón por la cual las cavidades modernas de los aceleradores de partículas están hechas de un material superconductor llamado niobio. Las cavidades de radiofrecuencia superconductoras son una tecnología extremadamente madura, en el CERN, etc

Sin embargo, un problema es que debido a que el campo eléctrico es de CA, la mitad del tiempo apunta en la dirección opuesta. Entonces, agrupas las partículas para que "pierdan" el campo de desaceleración y solo vean el campo de aceleración

Un punto lateral interesante es que la masa de un electrón es de solo 511 keV / c ^ 2, lo que significa que si lo acelera con 1 megavoltio de campo, 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 puede apilar secciones largas de cavidades SRF una encima de la otra que funcionan sincrónicamente. Las cavidades SRF pueden alcanzar los 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, puede aumentar la energía del grupo de partículas en 1000x y solo cambiar su velocidad real en un >1%, sí, la relatividad es extraña. La razón por la que esto es importante es cómo se producen realmente los rayos X cuando los electrones se mueven entre los imanes

Cuando pasas un electrón a través de un campo magnético, siente la fuerza de Lorentz y cambia de dirección: esta aceleración hace que escupa algunos fotones. En un "láser de electrones libres" se pasan electrones a través de una larga serie de imanes alternos para que muevan los fotones

Dado que los electrones tienen una velocidad de ~ 1c, van a la misma velocidad que los fotones que emiten. El campo eléctrico de estos fotones interactúa con los electrones para acercar los grupos de electrones, desde un espacio 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 los electrones más juntos, los nuevos fotones emitidos se apilan cada vez más cerca

Al final del FEL, desvía los grupos de electrones y se queda con un láser de alta potencia y longitud de onda extremadamente pequeña que puede obtener imágenes de átomos / moléculas individuales. ¡O produzca 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 una milla de largo es usar un plasma como medio de aceleración, que puede alcanzar campos eléctricos 1000 veces más altos que una cavidad SRF (que están limitados por la descomposición y otros efectos). La desventaja es la menor luminosidad del haz de electrones, pero puede "apilar" varios aceleradores de plasma wakefield para obtener más y más grupos de electrones en su wiggler.