Tôi đã từng làm việc với các buồng sóng radio siêu dẫn cho máy gia tốc hạt, và đã cân nhắc rất nhiều về việc học sau đại học trong lĩnh vực được gọi là 'nguồn sáng đồng bộ', hay còn gọi là Laser tia X. Dưới đây là cách chúng hoạt động, và chúng là tương lai của sản xuất chip. Thật tuyệt vời.

Đầu tiên, tại sao lại là laser X-Ray? Kích thước của những thứ bạn có thể nhìn thấy bằng ánh sáng, hoặc các mẫu bạn có thể tạo ra với nó (như trong lithography chip) phụ thuộc vào bước sóng. Điều này được gọi là giới hạn nhiễu xạ và giới hạn độ phân giải của những thứ như kính hiển vi và kính viễn vọng.

Nhưng, kính hiển vi và kính viễn vọng nhìn vào ánh sáng không đồng pha, có nghĩa là các bước sóng ở các pha khác nhau đều bị trộn lẫn với nhau. Nếu bạn căn chỉnh các đỉnh của sóng lại với nhau, bạn sẽ có ánh sáng đồng pha cho phép bạn nhìn thấy những thứ nhỏ hơn cả bước sóng được sử dụng.

Khi hai chùm ánh sáng đồng pha giao thoa, sự khác biệt nhỏ trong vị trí của các đỉnh sóng tạo ra một mẫu giao thoa với khoảng cách nhỏ hơn chính bước sóng. Một phép ẩn dụ cơ học là sử dụng thước Vernier để đo khoảng cách nhỏ hơn nhiều so với các vạch.

Quá trình lithography chip EUV hiện tại sử dụng laser CO2 với bước sóng ~1e-6m chiếu vào một giọt thiếc. Thiếc được đun nóng để tạo ra plasma, với hàng triệu electron được đẩy lên các trạng thái kích thích. Khi chúng rơi trở lại, chúng phát ra ánh sáng tỷ lệ với sự chênh lệch năng lượng.

Thiếc là "vật liệu lý tưởng" cho điều này vì có mật độ trạng thái electron cao tập trung xung quanh bước sóng 13,5 nm Một "laser thực" thường chỉ kích thích một trạng thái mục tiêu để có được "độ rộng" hẹp hoặc bước sóng đơn, nhưng điều này có thể trở nên rộng hơn do va chạm v.v.

Các đặc điểm nhỏ nhất trên một con chip bị giới hạn bởi những yếu tố này - bước sóng của ánh sáng, độ hẹp hoặc độ rộng của phổ phát xạ, v.v. Vậy, tại sao chúng ta không tìm các chuyển tiếp nguyên tử năng lượng cao hơn để có được bước sóng nhỏ hơn, và tạo ra một tia laser X-ray?

Vấn đề là năng lượng liên quan đến sự chuyển tiếp phụ thuộc vào mức độ liên kết chặt chẽ của một electron với hạt nhân, vì vậy các chuyển tiếp năng lượng cao có nghĩa là một hạt nhân có rất nhiều proton, và electron nằm 'sâu' trong chồng các orbital. Điều này rất khó để bơm quang học và duy trì một sự đảo ngược dân số ổn định. Điều này có nghĩa là loại bỏ một lượng lớn đám mây electron để 'đào sâu', điều này về cơ bản có nghĩa là hình thành một plasma. Đây chính xác là những gì quá trình bốc hơi giọt thiếc bằng laser đang làm - hình thành một plasma ngắn hạn để truy cập vào các chuyển tiếp electron sâu nhằm tạo ra ánh sáng năng lượng cao.

Vậy làm thế nào để chúng ta tạo ra một tia laser X-Ray? Chúng ta nói - quên hoàn toàn các chuyển tiếp điện tử. Chúng ta sẽ làm việc với chính các electron, tăng tốc chúng trong một chùm hạt và sau đó lắc chúng một cách dữ dội bằng các trường từ. Đây là lúc mọi thứ trở nên thú vị.

Tăng tốc các chùm electron có nghĩa là tạo ra các trường điện cực mạnh để cung cấp cho chúng nhiều năng lượng. Nếu đó là một trường điện không đổi, bạn sẽ gặp phải các phóng điện, phát xạ hạt - nó sẽ bị hỏng theo thời gian. Nếu đó là một trường điện xoay chiều, trường trung bình theo thời gian là bằng không. Nhưng, các trường điện xoay chiều tạo ra các trường từ thay đổi gây ra các dòng điện tạm thời.

Dòng điện tạm thời thường sẽ mất rất nhiều năng lượng trên bề mặt dẫn điện xung quanh, đó là lý do tại sao các buồng gia tốc hạt hiện đại được làm từ một vật liệu siêu dẫn gọi là niobi. Các buồng tần số vô tuyến siêu dẫn là một công nghệ cực kỳ trưởng thành - tại CERN, v.v.

Một vấn đề là vì trường điện là AC, nên một nửa thời gian nó chỉ hướng ngược lại. Vì vậy, bạn tập hợp các hạt lại để chúng 'bỏ lỡ' trường giảm tốc và chỉ thấy trường tăng tốc.

Một điểm phụ thú vị là, khối lượng của một electron chỉ là 511 keV/c^2, có nghĩa là nếu bạn tăng tốc nó với một trường 1 mega-volt thì một nửa tổng năng lượng của nó là động năng, phần còn lại là khối lượng (E=mc^2). Điều này có nghĩa là nó đã đạt 94% tốc độ ánh sáng. Điều này rất quan trọng...

Bởi vì điều đó có nghĩa là bạn có thể xếp chồng các đoạn dài của các khoang SRF lên nhau hoạt động đồng bộ. Các khoang SRF có thể đạt tới 30 megavolt/mét, và các cơ sở X-Ray xếp chúng theo dặm LCLS-2 tại Stanford có electron ở mức 4 GeV

Tại những vận tốc tương đối này, bạn có thể tăng năng lượng của đám hạt lên 1000 lần và chỉ thay đổi vận tốc thực tế của nó hơn 1% - đúng vậy, thuyết tương đối thật kỳ lạ. Lý do điều này quan trọng là cách mà tia X thực sự được sản xuất khi các electron lắc lư giữa các nam châm.

Khi bạn cho một electron đi qua một trường từ, nó sẽ cảm nhận được lực Lorentz và thay đổi hướng - sự gia tốc này khiến nó phát ra một số photon. Trong một "Laser Electron Tự Do", bạn cho electron đi qua một chuỗi dài các nam châm xen kẽ để khiến chúng rung lắc và phát ra photon.

Vì các electron có vận tốc ~1c, chúng di chuyển với tốc độ giống như các photon mà chúng phát ra. Trường điện của các photon này sau đó tương tác với các electron để kéo các chùm electron lại gần nhau hơn - từ khoảng cách mm đến nm.

Đây là cách mà Laser Electron Tự do được 'tăng cường tự động' - khi trường photon từ các electron tụ lại gần nhau, các photon mới phát ra xếp chồng lên nhau ngày càng gần hơn.

Cuối cùng của FEL, bạn chuyển hướng các chùm electron ra ngoài và còn lại một laser công suất cao, có bước sóng cực nhỏ có thể hình ảnh hóa các nguyên tử / phân tử riêng lẻ. Hoặc, sản xuất các đặc điểm chip nhỏ nhất trong lịch sử!

lưu ý: một phương pháp mới cạnh tranh với các đường dẫn tia SRF dài hàng dặm là sử dụng plasma làm môi trường tăng tốc, có thể đạt được các trường điện cao gấp 1000 lần so với một khoang SRF (bị giới hạn bởi sự phá vỡ và các hiệu ứng khác). Nhược điểm là độ sáng chùm electron thấp hơn, nhưng bạn có thể 'xếp chồng' nhiều máy tăng tốc plasma wakefield lại với nhau để có nhiều chùm electron hơn vào trong wiggler của bạn.