Eu costumava trabalhar em cavidades de radiofrequência supercondutoras para aceleradores de partículas e considerei fortemente estudos de pós-graduação no que são conhecidos como 'fontes de luz coerente', 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 luz, ou os padrões que você pode criar 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 observam luz incoerente, o que significa que os comprimentos de onda em diferentes fases estão todos misturados. Se você alinhar os picos das ondas, obtém luz coerente, que permite ver coisas ainda menores do que o comprimento de onda utilizado.

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 a própria comprimento de onda. Uma analogia mecânica é usar um escalímetro para medir distâncias muito menores do que as marcas.

A litografia de chip EUV atual utiliza 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 voltam para baixo, liberam luz proporcional à diferença de energia.

O estanho é o "material ideal" para isso porque há uma alta densidade de estados eletrônicos 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 um único comprimento de onda, mas isso pode se alargar devido a colisões, etc.

As características de menor tamanho em um chip são limitadas por essas coisas - o comprimento de onda da luz, quão estreita ou ampla é a faixa de emissão, etc. Então, por que não encontramos transições atômicas de maior energia para obter comprimentos de onda ainda menores e fazer um laser de raios X?

O problema é que a energia associada à transição depende de quão fortemente um elétron está ligado a um núcleo, então transições de alta energia significam um núcleo que tem muitos prótons, e o elétron está 'profundamente' na pilha de orbitais. Isto é difícil de bombear opticamente e manter uma inversão de população estável. Isso significa remover enormes quantidades da nuvem de elétrons para 'cavar fundo', o que significa essencialmente formar um plasma. Isto é exatamente o que a ablação de gotículas de estanho a laser está fazendo - formando um plasma de curta duração para acessar transições eletrônicas profundas e obter luz de alta energia.

então como fazemos um laser de raios X? Dizemos - esqueça as transições eletrónicas por completo. Vamos trabalhar com os próprios eletrões, acelerá-los em um feixe de partículas e depois agitá-los violentamente com campos magnéticos. É aqui que fica interessante

Acelerar feixes de elétrons significa produzir campos elétricos de força extremamente alta para lhes dar muita energia. Se for um campo constante, você acaba obtendo descargas elétricas, emissões de partículas - ele se quebra com o tempo. Se for um campo alternado, o campo médio no tempo é 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, razão pela qual as cavidades modernas de aceleradores 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, no entanto, é que, como o campo elétrico é CA, metade do tempo ele aponta na direção oposta. Assim, você agrupa as partículas para que elas 'percam' o campo de desaceleração e vejam apenas o campo de aceleração.

Um ponto interessante é que a massa de um elétron é apenas 511 keV/c^2, o que significa que se você acelerá-lo com um campo de 1 mega-volt, então metade de sua energia total é cinética, a outra é massa (E=mc^2). Isso significa que ele já está a 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 alcançar 30 megavolts/metro, e as instalações de raios-X as alinham por milhas O LCLS-2 em Stanford tem elétrons a 4 GeV

A estas velocidades relativísticas, você pode aumentar a energia do feixe de partículas em 1000x e apenas mudar sua velocidade real em >1% - sim, a relatividade é estranha. O porquê disso ser importante é como os raios-X são realmente produzidos quando os elétrons se movem entre 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 emita alguns fótons. Em um "Laser de Elétrons Livres", você passa elétrons por uma longa série de ímãs alternados para fazê-los oscilar e emitir fótons.

Uma vez que os elétrons estão a ~1c de velocidade, eles vão à mesma velocidade que os fótons que emitem. O campo elétrico desses fótons interage então com os elétrons para puxar os feixes de elétrons mais próximos uns dos outros - de mm para nm de espaçamento.

É assim que os Lasers de Elétrons Livres são 'auto-amplificados' - à medida que o campo de fótons dos feixes de elétrons aproxima os elétrons uns dos outros, novos fótons emitidos se acumulam cada vez mais próximos.

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

nota lateral: uma abordagem mais recente que compete com as linhas de feixe de cavidade SRF de milhas de comprimento é usar um plasma como meio de aceleração, que pode alcançar campos elétricos 1000x mais altos do que uma cavidade SRF (que são limitados por quebras e outros efeitos). A desvantagem é uma luminosidade de feixe de elétrons mais baixa, mas você pode 'empilhar' múltiplos aceleradores de plasma de campo de onda juntos para obter mais e mais feixes de elétrons no seu wiggler.