Lavoravo su cavità a radiofrequenza superconduttive per acceleratori di particelle e ho seriamente considerato studi di laurea in quelli che sono noti come 'fonti di luce coerente', ovvero laser a raggi X. Ecco come funzionano e sono il futuro della produzione di chip. È super interessante.

Prima di tutto, perché i laser a raggi X? La dimensione delle cose che puoi vedere con la luce, o i modelli che puoi creare con essa (come nella litografia dei chip) dipendono dalla lunghezza d'onda. Questo è chiamato limite di diffrazione e limita la risoluzione di cose come microscopi e telescopi.

Ma, i microscopi e i telescopi osservano la luce incoerente, il che significa che le lunghezze d'onda in fasi diverse sono tutte mescolate insieme. Se allinei i picchi delle onde insieme ottieni luce coerente che ti permette di vedere cose anche più piccole della lunghezza d'onda utilizzata.

Quando due fasci di luce coerente interferiscono, lievi differenze nella posizione dei picchi d'onda producono un pattern di interferenza con uno spazio più piccolo della stessa lunghezza d'onda. Un'analogia meccanica è l'uso di un calibro Vernier per misurare distanze molto più piccole delle tacche.

La litografia dei chip EUV attuale utilizza un laser CO2 con lunghezza d'onda di ~1e-6m che colpisce una goccia di stagno. Lo stagno viene riscaldato per formare un plasma, con tonnellate di elettroni spinti in stati eccitati. Quando tornano indietro, rilasciano luce proporzionale alla differenza di energia.

Lo stagno è il "materiale ideale" per questo perché c'è un'alta densità di stati elettronici che si concentrano attorno alla lunghezza d'onda di 13,5 nm Un laser "vero" di solito eccita solo uno stato mirato per ottenere una "larghezza di linea" stretta o una singola lunghezza d'onda, ma questo può diventare più ampio a causa di collisioni ecc.

Le caratteristiche di dimensioni più piccole su un chip sono limitate da queste cose: la lunghezza d'onda della luce, quanto è stretto o ampio lo spettro di emissione, ecc. Quindi, perché non troviamo semplicemente transizioni atomiche ad alta energia per ottenere lunghezze d'onda ancora più piccole e realizzare un laser a raggi X?

Il problema è che l'energia associata alla transizione dipende da quanto un elettrone è legato a un nucleo, quindi transizioni ad alta energia significano un nucleo che ha tonnellate di protoni, e l'elettrone è 'profondamente' nel mazzo di orbitali. Questo è difficile da pompare otticamente e mantenere un'inversione di popolazione stabile. Significa rimuovere enormi quantità della nuvola elettronica per 'scavare in profondità', il che significa essenzialmente formare un plasma. Questo è esattamente ciò che sta facendo l'abrazione del droplet di stagno laser - formando un plasma di breve durata per accedere a transizioni elettroniche profonde per ottenere luce ad alta energia.

quindi come facciamo un laser a raggi X? Diciamo - dimentichiamo completamente le transizioni elettroniche. Lavoreremo con gli elettroni stessi, accelerandoli in un fascio di particelle e poi scuotendoli violentemente con campi magnetici. Qui inizia a diventare interessante

Accelerare fasci di elettroni significa produrre campi elettrici di estrema forza per fornire loro molta energia. Se è un campo costante, si finisce per ottenere scariche elettriche, emissioni di particelle - si rompe nel tempo. Se è un campo alternato, il campo medio nel tempo è zero. Tuttavia, i campi elettrici alternati creano campi magnetici variabili che inducono correnti transitorie.

Le correnti transitorie normalmente perderebbero molta energia nella superficie conduttrice circostante, motivo per cui le cavità dei moderni acceleratori di particelle sono realizzate in un materiale superconduttore chiamato niobio. Le cavità superconduttrici a radiofrequenza sono una tecnologia estremamente matura - al CERN, ecc.

Un problema, però, è che poiché il campo elettrico è AC, per metà del tempo punta nella direzione opposta. Quindi, raggruppi le particelle in modo che 'sbandino' il campo decelerante e vedano solo il campo accelerante.

Un punto interessante è che la massa di un elettrone è solo 511 keV/c^2, il che significa che se lo acceleri con un campo di 1 mega-volt, allora metà della sua energia totale è cinetica, l'altra è massa (E=mc^2). Questo significa che è già al 94% della velocità della luce. Questo è importante...

Perché significa che puoi impilare lunghe sezioni di cavità SRF l'una sopra l'altra che operano in modo sincrono. Le cavità SRF possono raggiungere 30 megavolt/metro, e le strutture a raggi X le allineano per miglia LCLS-2 a Stanford ha elettroni a 4 GeV

A queste velocità relativistiche, puoi aumentare l'energia del fascio di particelle di 1000 volte e cambiare la sua velocità effettiva di solo >1% - sì, la relatività è strana. Perché questo è importante è come vengono effettivamente prodotti i raggi X quando gli elettroni oscillano tra i magneti.

Quando fai passare un elettrone attraverso un campo magnetico, sente la forza di Lorentz e cambia direzione - questa accelerazione lo fa emettere alcuni fotoni. In un "Laser a Elettroni Libero" fai passare elettroni attraverso una lunga serie di magneti alternati per farli oscillare e far emettere fotoni.

Poiché gli elettroni si muovono a una velocità di ~1c, viaggiano alla stessa velocità dei fotoni che emettono. Il campo elettrico di questi fotoni interagisce quindi con gli elettroni per avvicinare i gruppi di elettroni - da mm a nm di distanza.

Ecco come i laser a elettroni liberi sono "auto-amplificati" - mentre il campo di fotoni dai fasci di elettroni avvicina gli elettroni tra loro, nuovi fotoni emessi si accumulano sempre più vicini.

Alla fine del FEL, devii i fasci di elettroni e ti ritrovi con un laser ad alta potenza e lunghezza d'onda estremamente piccola che può immaginare singoli atomi / molecole. Oppure, produrre le caratteristiche di chip più piccole della storia!

Nota a margine: un approccio più recente che compete con le linee di fascio a cavità SRF lunghe un miglio è utilizzare un plasma come mezzo di accelerazione, che può raggiungere campi elettrici 1000 volte superiori a quelli di una cavità SRF (che sono limitati da rotture e altri effetti). Lo svantaggio è una minore luminosità del fascio di elettroni, ma puoi "impilare" più acceleratori a plasma a wakefield insieme per ottenere sempre più bunch di elettroni nel tuo wiggler.