Jeg pleide å jobbe med superledende radiofrekvente hulrom for partikkelakseleratorer, og vurderte sterkt doktorgradsstudier i det som er kjent som "koherente lyskilder" aka røntgenlasere. Slik fungerer de, og er fremtiden for brikkeproduksjon. det er superkult.

For det første, hvorfor røntgenlasere? Størrelsen på ting du kan se med lys, eller mønstrene du kan lage med det (som i chiplitografi) avhenger av bølgelengden. Dette kalles diffraksjonsgrensen og begrenser oppløsningen til ting som mikroskoper og teleskoper

Men mikroskoper og teleskoper ser på usammenhengende lys, noe som betyr at bølgelengder i forskjellige faser er blandet sammen. Hvis du stiller opp bølgetoppene sammen, får du sammenhengende lys som lar deg se ting som er enda mindre enn bølgelengden som brukes.

Når to stråler av sammenhengende lys interfererer, produserer små forskjeller i posisjonen til bølgetoppene et interferensmønster med mindre avstand enn selve bølgelengden. En mekanisk analogi er å bruke en Vernier-skala for å måle avstander som er langt mindre enn flåtten

Nåværende EUV-brikkelitografi bruker en CO2-laser med bølgelengde ~1e-6m som treffer en dråpe tinn. Boksen varmes opp for å danne et plasma, med tonnevis av elektroner som skyves opp i eksiterte tilstander. Når de faller ned igjen, frigjør de lys proporsjonalt med energiforskjellen

Tinn er det "ideelle materialet" for dette fordi det er en høy tetthet av elektrontilstander som samler seg rundt bølgelengden på 13,5 nm En "ekte" laser eksiterer vanligvis bare én målrettet tilstand for å få en smal "linjebredde" eller enkelt bølgelengde, men dette kan bli bredere ved kollisjoner osv

De minste funksjonene på en brikke er begrenset av disse tingene - lysets bølgelengde, hvor smalt eller bredt emisjonsspekteret er, etc. Så hvorfor finner vi ikke bare atomoverganger med høyere energi for å få enda mindre bølgelengder, og lage en røntgenlaser?

Problemet er at energien forbundet med overgang avhenger av hvor tett bundet et elektron er til en kjerne, så høyenergioverganger betyr en kjerne som har tonnevis av protoner, og elektronet er "dypt" i stabelen med orbitaler. Dette er vanskelig å pumpe optisk, og opprettholde en stabil populasjonsinversjon. Det betyr å fjerne enorme mengder av elektronskyen for å "grave dypt", som i hovedsak betyr å danne et plasma. Dette er akkurat hva laser-tinndråpeablasjonen gjør - danner et kortvarig plasma for å få tilgang til dype elektronoverganger for å få ut høyenergilys.

så hvordan lager vi en røntgenlaser? Vi sier - glem elektroniske overganger helt. Vi skal jobbe med elektroner selv, akselerere dem i en partikkelstråle og deretter riste dem voldsomt med magnetfelt. Det er her det blir kult

Å akselerere elektronstråler betyr å produsere elektriske felt med ekstremt høy styrke for å gi dem mye energi. Hvis det er et konstant felt, ender du opp med å få elektriske utladninger, partikkelutslipp - det brytes over tid. Hvis det er et vekslende felt, er tidsgjennomsnittsfeltet null. Men vekslende elektriske felt skaper skiftende magnetfelt som induserer forbigående strømmer

Transiente strømmer vil normalt miste mye energi i den omkringliggende lederoverflaten, og det er grunnen til at moderne partikkelakseleratorhulrom er laget av et superledende materiale kalt niob. Superledende radiofrekvente hulrom er en ekstremt moden teknologi - i CERN, etc

Et problem er imidlertid at fordi det elektriske feltet er vekselstrøm, peker halvparten av tiden i motsatt retning. Så du samler partiklene slik at de "bommer" på det retarderende feltet og bare ser det akselererende feltet

Et interessant sidepunkt er at massen til et elektron bare er 511 keV/c^2, noe som betyr at hvis du akseler det med 1 megavolt felt, er halvparten av den totale energien kinetisk, den andre er masse (E=mc^2). Dette betyr at den allerede er på 94 % av lysets hastighet. Dette er viktig...

Fordi det betyr at du kan stable lange seksjoner av SRF-hulrom oppå hverandre som fungerer synkront. SRF-hulrom kan nå 30 megavolt/meter, og røntgenanlegg stiller dem opp per kilometer LCLS-2 ved Stanford har elektroner på 4 GeV

Ved disse relativistiske hastighetene kan du øke energien til partikkelbunten med 1000x og bare endre dens faktiske hastighet med >1% - ja relativitetsteorien er rar. Hvorfor dette er viktig er hvordan røntgenstrålene faktisk produseres når elektroner vrikker mellom magneter

Når du fører et elektron gjennom et magnetfelt, føler det Lorentz-kraften og endrer retning - denne akselerasjonen får det til å spytte ut noen fotoner. I en "Free Electron Laser" fører du elektroner gjennom en lang rekke vekslende magneter for å få dem til å vrikke ut fotoner

Siden elektronene har ~1c hastighet, går de med samme hastighet som fotonene de sender ut. Det elektriske feltet til disse fotonene vekselvirker deretter med elektronene for å trekke elektronbuntene nærmere hverandre - fra mm til nm avstand

Dette er hvordan frielektronlasere er "selvforsterket" - når fotonfeltet fra elektroner bunter elektronene tettere sammen, stables nye fotoner som sendes ut nærmere og nærmere

På slutten av FEL avleder du elektronbuntene bort og sitter igjen med en høyeffekt, ekstremt liten bølgelengdelaser som kan avbilde individuelle atomer/molekyler. Eller produser de minste brikkefunksjonene i historien!

sidenotat: en nyere tilnærming som konkurrerer med de milelange SRF-hulromsstrålelinjene er å bruke et plasma som et akselererende medium, som kan oppnå elektriske felt 1000 ganger høyere enn et SRF-hulrom (som er begrenset av sammenbrudd og andre effekter). Ulempen er lavere elektronstrålelysstyrke, men du kan "stable" flere wakefield-plasmaakseleratorer sammen for å få flere og flere elektronbunter inn i wiggleren din.