Раніше я працював над надпровідними радіочастотними порожнинами для прискорювачів частинок і серйозно розглядав аспірантуру в галузі так званих «когерентних джерел світла», відомих як рентгенівські лазери. Ось як вони працюють, і є майбутнім виробництва мікросхем. Це дуже круто.

По-перше, чому саме рентгенівські лазери? Розмір речей, які ви можете побачити за допомогою світла, або візерунки, які ви можете зробити з його допомогою (як у літографії чіпів), залежать від довжини хвилі. Ця межа називається дифракційною межею і обмежує роздільну здатність таких об'єктів, як мікроскопи та телескопи

Але мікроскопи та телескопи дивляться на некогерентне світло, а це означає, що довжини хвиль на різних фазах перемішані разом. Якщо ви вирівняєте піки хвиль разом, ви отримаєте когерентне світло, яке дозволяє бачити речі навіть меншими, ніж використовується довжина хвилі.

Коли два промені когерентного світла інтерферують, незначні відмінності в положенні хвильових піків створюють інтерференційну картину з меншою відстанню, ніж сама довжина хвилі. Механічна аналогія полягає у використанні шкали Ноніуса для вимірювання відстаней, набагато менших за тики

Поточна літографія EUV-чіпа використовує CO2-лазер з довжиною хвилі ~1e-6m, який потрапляє на краплю олова. Олово нагрівається з утворенням плазми, при цьому тонни електронів виштовхуються в збуджений стан. Коли вони падають назад, вони випромінюють світло, пропорційне різниці в енергії

Олово є «ідеальним матеріалом» для цього, оскільки існує висока щільність електронних станів, які скупчуються навколо довжини хвилі 13,5 нм «Справжній» лазер зазвичай збуджує лише один цільовий стан, щоб отримати вузьку «ширину лінії» або одну довжину хвилі, але вона може розширюватися через зіткнення тощо

Найменші за розміром характеристики на чіпі обмежені такими речами - довжиною хвилі світла, наскільки вузьким або широким спектром випромінювання і т.д. Отже, чому б нам просто не знайти атомні переходи з більшою енергією, щоб отримати ще менші довжини хвиль, і не зробити рентгенівський лазер?

Проблема полягає в тому, що енергія, пов'язана з переходом, залежить від того, наскільки міцно електрон пов'язаний з ядром, тому високоенергетичні переходи означають ядро, яке має тонни протонів, і електрон знаходиться «глибоко» в стеку орбіталей. Це важко оптично прокачати, і підтримувати стабільну інверсію популяції. Це означає видалення величезної кількості електронної хмари, щоб «копнути глибоко», що означає, по суті, формування плазми. Це саме те, що робить абляція крапель з лазером - формуванням короткоживучої плазми для доступу до глибоких електронних переходів для отримання високоенергетичного світла.

Отже, як зробити рентгенівський лазер? Ми говоримо - забудьте про електронні переходи зовсім. Ми будемо працювати з самими електронами, розганяти їх пучком частинок, а потім сильно струшувати їх магнітними полями. Ось тут і стає прохолодно

Прискорення пучків електронів означає створення електричних полів надзвичайно високої сили, щоб дати їм багато енергії. Якщо це постійне поле, ви в кінцевому підсумку отримуєте електричні розряди, викиди частинок - воно з часом ламається. Якщо це змінне поле, середнє за часом поле дорівнює нулю. Але, змінні електричні поля створюють змінні магнітні поля, які індукують перехідні струми

Перехідні струми зазвичай втрачають багато енергії на навколишній поверхні провідника, тому сучасні порожнини прискорювачів частинок складаються з надпровідного матеріалу під назвою ніобій. Надпровідні радіочастотні порожнини є надзвичайно зрілою технологією - в ЦЕРНі та ін

Проблема, однак, полягає в тому, що оскільки електричне поле є змінним, у половині випадків воно вказує в протилежному напрямку. Таким чином, ви з'єднуєте частинки так, щоб вони «пропустили» поле уповільнення і бачили лише поле прискорення

Цікава бічна точка полягає в тому, що маса електрона становить лише 511 кеВ/c^2, що означає, що якщо ви прискорите його за допомогою 1 мега-вольта поля, то половина його загальної енергії є кінетичною, інша — масою (E=mc^2). Це означає, що його швидкість вже становить 94% від швидкості світла. Це важливо...

Це означає, що ви можете складати довгі ділянки порожнин SRF одна на одну, які працюють синхронно. Порожнини SRF можуть досягати 30 мегавольт/метр, і рентгенівські установки вибудовують їх по кілометрах LCLS-2 у Стенфорді має електрони на 4 ГеВ

При цих релятивістських швидкостях ви можете збільшити енергію пучка частинок в 1000 разів і змінити її дійсну швидкість лише на >1% - так, теорія відносності дивна. Чому це важливо, так це те, як насправді виробляються рентгенівські промені, коли електрони коливаються між магнітами

Коли ви пропускаєте електрон через магнітне поле, він відчуває силу Лоренца і змінює напрямок - це прискорення змушує його виплюнути частину фотонів. У «лазері на вільних електронах» ви пропускаєте електрони через довгу серію чергуються магнітів, щоб змусити їх випромінювати фотони

Оскільки електрони мають швидкість ~ 1с, вони рухаються з тією ж швидкістю, що і фотони, які вони випромінюють. Потім електричне поле цих фотонів взаємодіє з електронами, зближуючи електронні пучки - від відстані мм до нм

Ось як лазери на вільних електронах «самопосилюються» - коли фотонне поле від електронів зближує електрони, нові випромінювані фотони накопичуються все ближче і ближче

В кінці FEL ви відводите електронні пучки і залишаєтеся з потужним лазером з надзвичайно малою довжиною хвилі, який може отримувати зображення окремих атомів / молекул. Або виробляти найменші фішки в історії!

Примітка: новий підхід, що конкурує з променями порожнини SRF довжиною в милю, полягає у використанні плазми як прискорювального середовища, яке може досягати електричних полів у 1000 разів вище, ніж порожнина SRF (які обмежені пробою та іншими ефектами). Недоліком є нижча світність електронного променя, але ви можете «скласти» кілька плазмових прискорювачів вейкфілду разом, щоб отримати все більше і більше електронних пучків у свій віглер.