Pracoval jsem na supravodivých radiofrekvenčních dutinách pro urychlovače částic a silně jsem uvažoval o postgraduálním studiu toho, co je známo jako "koherentní světelné zdroje" alias rentgenové lasery. Zde je návod, jak fungují a jsou budoucností výroby čipů. je to super cool.

Za prvé, proč rentgenové lasery? Velikost věcí, které můžete vidět světlem, nebo vzory, které s ním můžete vytvořit (například v čipové litografii), závisí na vlnové délce. To se nazývá difrakční limit a omezuje rozlišení věcí, jako jsou mikroskopy a dalekohledy

Mikroskopy a dalekohledy se však dívají na nekoherentní světlo, což znamená, že vlnové délky v různých fázích jsou všechny smíchané dohromady. Pokud seřadíte vrcholy vln dohromady, získáte koherentní světlo, které vám umožní vidět věci ještě menší, než je použitá vlnová délka.

Když se dva paprsky koherentního světla interferují, nepatrné rozdíly v poloze píků vlny vytvářejí interferenční obrazec s menšími rozestupy, než je samotná vlnová délka. Mechanickou analogií je použití Vernierovy stupnice k měření vzdáleností mnohem menších, než jsou tiky

Současná EUV čipová litografie využívá CO2 laser o vlnové délce ~1e-6m, který dopadá na kapičku cínu. Cín se zahřeje za vzniku plazmy, přičemž tuny elektronů jsou tlačeny nahoru do excitovaných stavů. Když spadnou zpět dolů, uvolní světlo úměrné energetickému rozdílu

Cín je pro to "ideálním materiálem", protože existuje vysoká hustota elektronových stavů, které se shlukují kolem vlnové délky 13,5 nm "Skutečný" laser obvykle vybudí pouze jeden cílový stav, aby získal úzkou "šířku čáry" nebo jednu vlnovou délku, ale ta se může rozšířit kolizemi atd

Nejmenší rozměry prvků na čipu jsou omezeny těmito věcmi - vlnovou délkou světla, jak úzkým nebo širokým je emisním spektrem atd. Takže, proč prostě nenajdeme atomové přechody s vyšší energií, abychom získali ještě menší vlnové délky, a nevytvořili rentgenový laser?

Problém je v tom, že energie spojená s přechodem závisí na tom, jak pevně je elektron vázán k jádru, takže vysokoenergetické přechody znamenají jádro, které má tuny protonů, a elektron je "hluboko" ve stohu orbitalů. To je těžké opticky pumpovat a udržovat stabilní populační inverzi. Znamená to odstranit obrovské množství elektronového oblaku, aby se "kopalo hluboko", což v podstatě znamená vytvořit plazmu. To je přesně to, co dělá laserová ablace kapiček cínu - vytváří krátkodobě žijící plazma pro přístup k hlubokým elektronovým přechodům, aby se dostalo ven vysokoenergetické světlo.

jak tedy vyrobíme rentgenový laser? Říkáme - úplně zapomeňte na elektronické přechody. Budeme pracovat se samotnými elektrony, urychlíme je ve svazku částic a pak s nimi prudce zatřeseme magnetickými poli. Tady to začíná být cool

Urychlování paprsků elektronů znamená vytváření extrémně silných elektrických polí, která jim dodávají spoustu energie. Pokud je to konstantní pole, skončíte s elektrickými výboji, emisemi částic - časem se to rozbije. Pokud se jedná o střídavé pole, pole s časovým průměrem je nula. Střídavá elektrická pole však vytvářejí měnící se magnetická pole, která indukují přechodné proudy

Přechodné proudy by za normálních okolností ztratily velké množství energie na okolním povrchu vodiče, což je důvod, proč jsou moderní dutiny urychlovače částic vyrobeny ze supravodivého materiálu zvaného niob. Supravodivé radiofrekvenční dutiny jsou extrémně vyspělou technologií - v CERNu atd

Problém je však v tom, že protože elektrické pole je střídavé, polovinu času ukazuje opačným směrem. Takže shluknete částice tak, aby "minuly" zpomalovací pole a viděly pouze zrychlující se pole

Zajímavým vedlejším bodem je, že hmotnost elektronu je pouze 511 keV/c^2, což znamená, že pokud jej urychlíte s 1 megavoltem pole, pak polovina jeho celkové energie je kinetická, druhá je hmotnost (E=mc^2). To znamená, že je již na 94% rychlosti světla. To je důležité...

Protože to znamená, že můžete skládat dlouhé úseky dutin SRF na sebe, které pracují synchronně. SRF dutiny mohou dosáhnout 30 megavoltů/metr a rentgenová zařízení je seřadí na míle LCLS-2 ve Stanfordu má elektrony o energii 4 GeV

Při těchto relativistických rychlostech můžete zvýšit energii shluku částic 1000x a změnit její skutečnou rychlost pouze o >1% - ano, teorie relativity je divná. Proč je to důležité, je to, jak jsou rentgenové paprsky ve skutečnosti produkovány, když se elektrony pohybují mezi magnety

Když procházíte elektronem magnetickým polem, cítí Lorentzovu sílu a mění směr - toto zrychlení způsobí, že vyplivne několik fotonů. V "laseru volných elektronů" procházíte elektrony dlouhou řadou střídavých magnetů, aby se rozhýbaly fotony

Protože elektrony mají rychlost ~1c, pohybují se stejnou rychlostí jako fotony, které emitují. Elektrické pole těchto fotonů pak interaguje s elektrony, aby přitáhlo shluky elektronů blíže k sobě - od vzdálenosti mm až nm

Takto jsou lasery s volnými elektrony "sebezesíleny" - jak fotonové pole z elektronů shlukuje elektrony blíže k sobě, nové emitované fotony se hromadí blíže a blíže

Na konci FEL odkloníte shluky elektronů pryč a zůstane vám vysoce výkonný laser s extrémně malou vlnovou délkou, který dokáže zobrazit jednotlivé atomy / molekuly. Nebo vyrobte nejmenší čipové prvky v historii!

poznámka na okraj: novějším přístupem konkurujícím mílovým liniím dutinových svazků SRF je použití plazmatu jako urychlovacího média, které může dosáhnout elektrických polí 1000x vyšších než dutina SRF (která jsou omezena průrazem a dalšími efekty). Nevýhodou je nižší svítivost elektronového paprsku, ale můžete "naskládat" více urychlovačů plazmatu dohromady, abyste do svého wiggleru dostali více a více shluků elektronů.