私は以前、粒子加速器用の超伝導高周波キャビティに取り組んでおり、X線レーザーと呼ばれる「コヒーレント光源」として知られるものの大学院での研究を強く考えていました。 これがそれらがどのように機能するか、そしてチップ製造の未来です。とてもクールです。

まず、なぜX線レーザーなのか?光で見えるもののサイズや、光で作成できるパターン (チップ リソグラフィなど) は、波長によって異なります。 これは回折限界と呼ばれ、顕微鏡や望遠鏡などの解像度を制限します

しかし、顕微鏡や望遠鏡はインコヒーレントな光を観察するため、異なる位相の波長がすべてごちゃごちゃしていることを意味します。 波のピークを並べると、コヒーレントな光が得られ、使用されている波長よりもさらに小さいものを見ることができます。

コヒーレント光の2本のビームが干渉すると、波のピークの位置がわずかに異なると、波長自体よりも間隔が小さい干渉パターンが生成されます。 機械的な例えは、バーニアスケールを使用して、目盛りよりもはるかに短い距離を測定することです

現在のEUVチップリソグラフィでは、波長~1e-6mのCO2レーザーを錫の液滴に当たらせる。スズは加熱されてプラズマを形成し、大量の電子が励起状態に押し上げられます。 それらが下に戻ると、エネルギー差に比例した光を放出します

スズは、13.5 nmの波長の周囲に高密度の電子状態が集まっているため、これに「理想的な材料」です 「真の」レーザーは通常、1つのターゲット状態のみを励起して、狭い「線幅」または単一の波長を得ることができますが、これは衝突などによって広くなる可能性があります

チップ上の最小サイズの特徴は、光の波長、発光スペクトルの狭さまたは広さなどによって制限されます。 では、より高いエネルギーの原子遷移を見つけてさらに小さな波長を取得し、X線レーザーを作成してみてはいかがでしょうか?

問題は、遷移に関連するエネルギーは、電子が原子核にどれだけ緊密に結合しているかに依存するため、高エネルギー遷移は、大量の陽子を持つ原子核を意味し、電子は軌道のスタックの「奥深く」にあります。 これは光学的にポンプを送り出し、安定した集団反転を維持することは困難です。これは、膨大な量の電子雲を剥がして「深く掘る」ことを意味し、本質的にプラズマを形成することを意味します。 これはまさにレーザースズ液滴アブレーションが行っていることであり、短寿命のプラズマを形成して深い電子遷移にアクセスして高エネルギーの光を取り出します。

では、X線レーザーはどうやって作ればいいのでしょうか?私たちは、電子的なトランジションを完全に忘れてください。 電子自体を扱い、粒子ビームで加速し、磁場で激しく振るつもりです。 ここがカッコいいところです

電子ビームを加速するということは、非常に強力な電場を生成して大量のエネルギーを与えることを意味します。 それが一定の磁場の場合、放電や粒子の放出が発生し、時間の経過とともに壊れます。 代替フィールドの場合、時間平均フィールドはゼロです。しかし、交流電界は過渡電流を誘導する変化する磁場を生成します

過渡電流は通常、周囲の導体表面で多くのエネルギーを失うため、現代の粒子加速器キャビティはニオブと呼ばれる超伝導材料でできています。 超伝導高周波キャビティは、CERNなどにおいて非常に成熟した技術です

ただし、電界がACであるため、半分の時間が反対方向を向いているという問題があります。 したがって、パーティクルを束ねて、減速フィールドを「見逃し」、加速フィールドのみが表示されるようにします

興味深いサイドポイントは、電子の質量はわずか511 keV / c ^ 2であり、1メガボルトの磁場で加速すると、その総エネルギーの半分が運動エネルギーであり、もう1つは質量です(E = mc ^ 2)。 これは、すでに光速の94%であることを意味します。これは重要です...

これは、SRF キャビティの長いセクションを積み重ねて同期的に動作できることを意味するためです。SRF キャビティは 30 メガボルト/メートルに達することがあり、X 線設備はそれらをマイル単位で並べています スタンフォード大学のLCLS-2は4GeVの電子を持っています

これらの相対論的速度では、粒子束のエネルギーを1000倍に増やし、実際の速度を>1%しか変更できません - はい、相対性理論は奇妙です。 これが重要な理由は、電子が磁石の間を小刻みに動くときに実際にX線がどのように生成されるかです

電子を磁場に通すと、ローレンツ力を感じて方向を変えます-この加速により、いくつかの光子が吐き出されます。 「自由電子レーザー」では、電子を一連の長い交互磁石に通して光子を小刻みに放出させます

電子の速度は~1cなので、放出する光子と同じ速度で進みます。 次に、これらの光子の電場が電子と相互作用して、電子束をmmからnmの間隔で近づけます

これが自由電子レーザーが「自己増幅」される方法です - 電子からの光子場が電子を近づけて束ねると、放出される新しい光子はますます近づき積み重ねられます

FELの終わりに、電子束をそらし、個々の原子/分子を画像化できる高出力の非常に小さな波長のレーザーが残ります。 または、史上最小のチップ機能を作成します。

余談:1マイルの長さのSRFキャビティビームラインと競合する新しいアプローチは、加速媒体としてプラズマを使用することであり、SRFキャビティの1000倍高い電界を達成できます(破壊やその他の影響によって制限されます)。 欠点は電子ビームの光度が低いことですが、複数のウェイクフィールドプラズマ加速器を「スタック」して、ウィグラーにますます多くの電子束を入れることができます。