Eu costumava trabalhar em cavidades de radiofrequência supercondutoras para aceleradores de partículas e considerei fortemente os estudos de pós-graduação no que é conhecido como 'fontes de luz coerentes', também conhecidas como lasers de raios-X. Aqui está como eles funcionam e são o futuro da produção de chips. é super legal.

Primeiro, por que lasers de raios-X? O tamanho das coisas que você pode ver com a luz ou os padrões que você pode fazer com ela (como na litografia de chips) dependem do comprimento de onda. Isso é chamado de limite de difração e limita a resolução de coisas como microscópios e telescópios

Mas, microscópios e telescópios olham para a luz incoerente, o que significa que os comprimentos de onda em diferentes fases estão todos misturados. Se você alinhar os picos das ondas, obterá uma luz coerente que permite ver coisas ainda menores do que o comprimento de onda usado.

Quando dois feixes de luz coerente interferem, pequenas diferenças na posição dos picos de onda produzem um padrão de interferência com um espaçamento menor do que o próprio comprimento de onda. Uma analogia mecânica é usar uma escala Vernier para medir distâncias muito menores do que os tiques

A litografia atual do chip EUV usa um laser de CO2 com comprimento de onda ~ 1e-6m que atinge uma gota de estanho. O estanho é aquecido para formar um plasma, com toneladas de elétrons sendo empurrados para estados excitados. Quando eles caem de volta, eles liberam luz proporcional à diferença de energia

O estanho é o "material ideal" para isso porque há uma alta densidade de estados de elétrons que se agrupam em torno do comprimento de onda de 13,5 nm Um laser "verdadeiro" geralmente excita apenas um estado alvo para obter uma "largura de linha" estreita ou comprimento de onda único, mas isso pode ficar mais amplo por colisões, etc

Os recursos de menor tamanho em um chip são limitados por essas coisas - o comprimento de onda da luz, quão estreito ou amplo o espectro de emissão, etc. Então, por que não encontramos transições atômicas de energia mais alta para obter comprimentos de onda ainda menores e fazer um laser de raios-X?

A questão é que a energia associada à transição depende de quão fortemente ligado um elétron está a um núcleo, então transições de alta energia significam um núcleo que tem toneladas de prótons, e o elétron é "profundo" na pilha de orbitais. Isso é difícil de bombear opticamente e manter uma inversão populacional estável. Significa retirar grandes quantidades da nuvem de elétrons para "cavar fundo", o que significa essencialmente formar um plasma. Isso é exatamente o que a ablação de gotículas de estanho a laser está fazendo - formando um plasma de curta duração para acessar transições profundas de elétrons para obter luz de alta energia.

então, como fazemos um laser de raios-X? Nós dizemos - esqueça completamente as transições eletrônicas. Vamos trabalhar com os próprios elétrons, acelerá-los em um feixe de partículas e depois sacudi-los violentamente com campos magnéticos. É aqui que fica legal

Acelerar feixes de elétrons significa produzir campos elétricos de força extremamente alta para dar-lhes muita energia. Se for um campo constante, você acaba recebendo descargas elétricas, emissões de partículas - ele quebra com o tempo. Se for um campo alternado, o campo de média de tempo será zero. Mas, campos elétricos alternados criam campos magnéticos variáveis que induzem correntes transitórias

As correntes transitórias normalmente perderiam muita energia na superfície do condutor circundante, e é por isso que as cavidades modernas do acelerador de partículas são feitas de um material supercondutor chamado nióbio. As cavidades de radiofrequência supercondutoras são uma tecnologia extremamente madura - no CERN, etc

Um problema, porém, é que, como o campo elétrico é AC, metade do tempo ele aponta na direção oposta. Então, você agrupa as partículas para que elas "percam" o campo de desaceleração e vejam apenas o campo de aceleração

Um ponto lateral interessante é que a massa de um elétron é de apenas 511 keV / c ^ 2, o que significa que se você acelerá-lo com 1 mega-volt de campo, metade de sua energia total é cinética, a outra é massa (E = mc ^ 2). Isso significa que já está em 94% da velocidade da luz. Isso é importante...

Porque isso significa que você pode empilhar longas seções de cavidades SRF umas sobre as outras que operam de forma síncrona. As cavidades SRF podem chegar a 30 megavolts/metro, e as instalações de raios-X as alinham por quilômetro LCLS-2 em Stanford tem elétrons a 4 GeV

Nessas velocidades relativísticas, você pode aumentar a energia do feixe de partículas em 1000x e alterar sua velocidade real em apenas >1% - sim, a relatividade é estranha. Por que isso é importante é como os raios-X são realmente produzidos quando os elétrons se mexem entre os ímãs

Quando você passa um elétron através de um campo magnético, ele sente a força de Lorentz e muda de direção - essa aceleração faz com que ele cuspa alguns fótons. Em um "Laser de Elétrons Livres", você passa elétrons através de uma longa série de ímãs alternados para fazê-los mexer os fótons

Como os elétrons têm velocidade de ~ 1c, eles vão na mesma velocidade que os fótons que emitem. O campo elétrico desses fótons então interage com os elétrons para aproximar os feixes de elétrons - do espaçamento entre mm e nm

É assim que os Lasers de Elétrons Livres são 'autoamplificados' - à medida que o campo de fótons dos elétrons agrupa os elétrons mais próximos, os novos fótons emitidos se acumulam cada vez mais

No final do FEL, você desvia os feixes de elétrons e fica com um laser de comprimento de onda extremamente pequeno e de alta potência que pode gerar imagens de átomos / moléculas individuais. Ou produza os menores recursos de chip da história!

nota lateral: uma abordagem mais recente competindo com as linhas de feixe de cavidade SRF de uma milha de comprimento é usar um plasma como meio de aceleração, que pode atingir campos elétricos 1000x maiores do que uma cavidade SRF (que são limitados por quebra e outros efeitos). A desvantagem é a menor luminosidade do feixe de elétrons, mas você pode 'empilhar' vários aceleradores de plasma wakefield juntos para obter mais e mais feixes de elétrons em seu wiggler.