Jag brukade arbeta med supraledande radiofrekventa kaviteter för partikelacceleratorer, och övervägde starkt doktorandstudier i vad som kallas "koherenta ljuskällor" aka röntgenlasrar. Så här arbetar de och är framtiden för chipproduktion. det är super coolt.

Först och främst, varför röntgenlasrar? Storleken på saker du kan se med ljus, eller de mönster du kan göra med det (som i chiplitografi) beror på våglängden. Detta kallas diffraktionsgränsen och begränsar upplösningen för saker som mikroskop och teleskop

Men mikroskop och teleskop tittar på osammanhängande ljus, vilket innebär att våglängder vid olika faser blandas ihop. Om du radar upp vågornas toppar tillsammans får du ett sammanhängande ljus, vilket gör att du kan se saker som är ännu mindre än den våglängd som används.

När två strålar av koherent ljus interfererar, producerar små skillnader i vågtopparnas position ett interferensmönster med ett mindre avstånd än själva våglängden. En mekanisk analogi är att använda en Vernier-skala för att mäta avstånd som är mycket mindre än fästingarna

Nuvarande EUV-chiplitografi använder en CO2-laser med våglängd ~1e-6m som träffar en droppe tenn. Tennet värms upp för att bilda ett plasma, med massor av elektroner som trycks upp till exciterade tillstånd. När de faller ner igen släpper de ut ljus som är proportionellt mot energiskillnaden

Tenn är det "idealiska materialet" för detta eftersom det finns en hög densitet av elektrontillstånd som samlas runt våglängden 13,5 nm En "riktig" laser exciterar vanligtvis bara ett måltillstånd för att få en smal "linjebredd" eller en enda våglängd, men denna kan bli bredare genom kollisioner etc

De minsta storlekarna på ett chip begränsas av dessa saker - ljusets våglängd, hur smalt eller brett emissionsspektrumet är, etc. Så varför inte bara hitta atomövergångar med högre energi för att få ännu mindre våglängder, och göra en röntgenlaser?

Problemet är att energin i samband med övergången beror på hur hårt bunden en elektron är till en kärna, så högenergiövergångar betyder en kärna som har massor av protoner, och elektronen är "djup" i stacken av orbitaler. Detta är svårt att optiskt pumpa och upprätthålla en stabil populationsinversion. Det innebär att man skalar bort stora mängder av elektronmolnet för att "gräva djupt", vilket i princip innebär att man bildar ett plasma. Detta är precis vad ablationen av laser-tenndroppar gör - bildar ett kortlivat plasma för att få tillgång till djupa elektronövergångar för att få ut högenergetiskt ljus.

så hur gör vi en röntgenlaser? Vi säger - glöm elektroniska övergångar helt och hållet. Vi ska arbeta med elektronerna själva, accelerera dem i en partikelstråle och sedan våldsamt skaka om dem med magnetfält. Det är här det blir coolt

Att accelerera elektronstrålar innebär att man producerar extremt starka elektriska fält för att ge dem mycket energi. Om det är ett konstant fält får du elektriska urladdningar, partikelutsläpp - det bryts med tiden. Om det är ett alternerande fält är tidsmedelvärdet noll. Men växlande elektriska fält skapar föränderliga magnetfält som inducerar transienta strömmar

Transienta strömmar skulle normalt förlora mycket energi i den omgivande ledarytan, vilket är anledningen till att moderna partikelacceleratorkaviteter är gjorda av ett supraledande material som kallas niob. Supraledande radiofrekventa kaviteter är en extremt mogen teknik - inom CERN, etc

Ett problem är dock att eftersom det elektriska fältet är växelström, pekar det hälften av gångerna i motsatt riktning. Så du buntar ihop partiklarna så att de "missar" det retarderande fältet och bara ser det accelererande fältet

En intressant sidopunkt är att massan av en elektron bara är 511 keV/c^2, vilket betyder att om du accelererar den med 1 megavolt fält så är hälften av dess totala energi kinetisk, den andra är massa (E=mc^2). Det betyder att den redan har 94% av ljusets hastighet. Det här är viktigt...

Eftersom det innebär att du kan stapla långa sektioner av SRF-kaviteter ovanpå varandra som fungerar synkront. SRF-kaviteter kan nå 30 megavolt/meter, och röntgenanläggningar radar upp dem på milen LCLS-2 vid Stanford har elektroner vid 4 GeV

Vid dessa relativistiska hastigheter kan du öka energin hos partikelknippet med 1000 gånger och bara ändra dess faktiska hastighet med >1% - ja, relativitetsteorin är konstig. Varför detta är viktigt är hur röntgenstrålarna faktiskt produceras när elektroner vickar mellan magneter

När du passerar en elektron genom ett magnetfält känner den Lorentzkraften och ändrar riktning - denna acceleration gör att den spottar ut några fotoner. I en "Free Electron Laser" låter man elektroner passera genom en lång rad alternerande magneter för att få dem att vicka ut fotoner

Eftersom elektronerna har en hastighet på ~1c går de med samma hastighet som fotonerna de avger. Det elektriska fältet hos dessa fotoner interagerar sedan med elektronerna för att dra elektronknippena närmare varandra - från mm till nm avstånd

Det är på detta sätt som frielektronlasrar är "självförstärkta" - när fotonfältet från elektroner buntar ihop elektronerna närmare varandra, staplas nya fotoner som sänds ut närmare och närmare

I slutet av FEL avleder du elektronknippena och får kvar en laser med hög effekt och extremt liten våglängd som kan avbilda enskilda atomer/molekyler. Eller producera de minsta chip-funktionerna i historien!

sidonot: ett nyare tillvägagångssätt som konkurrerar med de milslånga SRF-kavitetsstrållinjerna är att använda ett plasma som ett accelererande medium, vilket kan uppnå elektriska fält som är 1000 gånger högre än en SRF-kavitet (som begränsas av nedbrytning och andra effekter). Nackdelen är lägre elektronstråleluminositet, men du kan "stapla" flera wakefield-plasmaacceleratorer tillsammans för att få in fler och fler elektronbuntar i din wiggler.