Я раньше работал над сверхпроводящими радиочастотными полостями для ускорителей частиц и серьезно рассматривал возможность аспирантуры в области, известной как 'когерентные источники света', то есть рентгеновские лазеры. Вот как они работают и являются будущим производства чипов. Это супер круто.

Во-первых, почему рентгеновские лазеры? Размер объектов, которые вы можете увидеть с помощью света, или узоры, которые вы можете создать с его помощью (например, в литографии чипов), зависят от длины волны. Это называется пределом дифракции и ограничивает разрешение таких приборов, как микроскопы и телескопы.

Но микроскопы и телескопы смотрят на некогерентный свет, что означает, что длины волн на разных фазах все перепутаны вместе. Если вы выровняете пики волн, вы получите когерентный свет, который позволяет вам видеть вещи даже меньшие, чем используемая длина волны.

Когда два пучка когерентного света интерферируют, небольшие различия в положении пиков волн создают интерференционную картину с меньшим расстоянием, чем сама длина волны. Механическая аналогия заключается в использовании штангенциркуля для измерения расстояний, значительно меньших, чем деления.

Текущая литография чипов EUV использует CO2 лазер с длиной волны ~1e-6m, который попадает на каплю олова. Олово нагревается, образуя плазму, при этом множество электронов поднимаются в возбужденные состояния. Когда они возвращаются обратно, они излучают свет, пропорциональный разнице энергии.

Олово является "идеальным материалом" для этого, потому что существует высокая плотность электронных состояний, которые сосредоточены вокруг длины волны 13,5 нм "Настоящий" лазер обычно возбуждает только одно целевое состояние, чтобы получить узкую "ширину линии" или единственную длину волны, но это может расширяться из-за столкновений и т.д.

Наименьшие размеры элементов на чипе ограничены такими факторами, как длина волны света, насколько узкий или широкий спектр излучения и т. д. Так почему бы нам просто не найти более высокоэнергетические атомные переходы, чтобы получить еще меньшие длины волн и сделать рентгеновский лазер?

Проблема в том, что энергия, связанная с переходом, зависит от того, насколько плотно электрон связан с ядром, поэтому высокоэнергетические переходы означают ядро, в котором много протонов, а электрон находится "глубоко" в стеке орбиталей. Это трудно оптически накачивать и поддерживать стабильную инверсию населения. Это означает, что нужно удалить огромные объемы электронной оболочки, чтобы "погрузиться глубже", что по сути означает формирование плазмы. Именно это и делает абляция лазерной капли олова - формирует кратковременную плазму для доступа к глубоким электронным переходам, чтобы получить высокоэнергетический свет.

Итак, как мы создадим рентгеновский лазер? Мы говорим - забудьте о электронных переходах вообще. Мы будем работать с самими электронами, ускорять их в пучке частиц, а затем сильно трясти их с помощью магнитных полей. Вот здесь становится интересно.

Ускорение пучков электронов означает создание электрических полей с чрезвычайно высокой силой, чтобы дать им много энергии. Если это постоянное поле, вы в конечном итоге получаете электрические разряды, выбросы частиц - оно со временем разрушается. Если это переменное поле, среднее значение поля равно нулю. Но переменные электрические поля создают изменяющиеся магнитные поля, которые индуцируют переходные токи.

Временные токи обычно теряют много энергии на поверхности окружающего проводника, именно поэтому современные камеры ускорителей частиц изготовлены из сверхпроводящего материала, называемого ниобием. Сверхпроводящие радиочастотные камеры — это крайне зрелая технология — в ЦЕРН и т.д.

Однако проблема в том, что поскольку электрическое поле переменное, половину времени оно направлено в противоположную сторону. Таким образом, вы собираете частицы так, чтобы они "пропускали" замедляющее поле и видели только ускоряющее поле.

Интересный момент заключается в том, что масса электрона составляет всего 511 кэВ/c^2, что означает, что если вы ускорите его с помощью поля в 1 мегавольт, то половина его общей энергии будет кинетической, а другая — массой (E=mc^2). Это означает, что он уже движется со скоростью 94% от скорости света. Это важно...

Потому что это означает, что вы можете укладывать длинные секции SRF-камер друг на друга, которые работают синхронно. SRF-камеры могут достигать 30 мегавольт на метр, и рентгеновские установки выстраивают их на милю. LCLS-2 в Стэнфорде имеет электроны на 4 ГэВ

На этих релятивистских скоростях вы можете увеличить энергию пучка частиц в 1000 раз и при этом изменить его фактическую скорость всего на >1% - да, релятивизм странный. Почему это важно, так это то, как на самом деле производятся рентгеновские лучи, когда электроны колеблются между магнитами.

Когда вы пропускаете электрон через магнитное поле, он ощущает силу Лоренца и меняет направление - это ускорение заставляет его испускать некоторые фотоны. В "Свободном электронном лазере" вы пропускаете электроны через длинную серию чередующихся магнитов, чтобы заставить их колебаться и испускать фотоны.

Поскольку электроны движутся со скоростью ~1c, они движутся с той же скоростью, что и фотоны, которые они излучают. Электрическое поле этих фотонов затем взаимодействует с электронами, чтобы подтянуть группы электронов ближе друг к другу - от мм до нм.

Вот как свободные электронные лазеры "самоусиливаются" - когда фотонное поле от электронов сближает электроны, новые испускаемые фотоны накапливаются всё ближе и ближе.

В конце FEL вы отклоняете пучки электронов и получаете лазер с высокой мощностью и крайне малой длиной волны, который может изображать отдельные атомы / молекулы. Или производить самые маленькие чиповые элементы в истории!

Примечание: новая методика, конкурирующая с длинными SRF-камерными пучковыми линиями, заключается в использовании плазмы в качестве ускоряющей среды, которая может достигать электрических полей в 1000 раз выше, чем у SRF-камер (которые ограничены пробоем и другими эффектами). Недостатком является более низкая яркость электронного пучка, но вы можете "складывать" несколько плазменных ускорителей с волновым полем вместе, чтобы получить все больше и больше электронных пучков в вашем вибраторе.