Obișnuiam să lucrez la cavități de radiofrecvență supraconductoare pentru acceleratoare de particule și am luat în considerare studii postuniversitare în ceea ce sunt cunoscute sub numele de "surse de lumină coerente", cunoscute și sub numele de lasere cu raze X. Iată cum funcționează și sunt viitorul producției de cipuri. este super tare.

În primul rând, de ce lasere cu raze X? Dimensiunea lucrurilor pe care le puteți vedea cu lumină sau modelele pe care le puteți face cu ea (ca în litografia cu cip) depinde de lungimea de undă. Aceasta se numește limită de difracție și limitează rezoluția unor lucruri precum microscoapele și telescoapele

Dar, microscoapele și telescoapele privesc lumina incoerentă, ceea ce înseamnă că lungimile de undă din diferite faze sunt toate amestecate împreună. Dacă aliniezi vârfurile undelor împreună, obții o lumină coerentă care îți permite să vezi lucruri chiar mai mici decât lungimea de undă folosită.

Când două fascicule de lumină coerentă interferează, ușoare diferențe în poziția vârfurilor de undă produc un model de interferență cu o distanță mai mică decât lungimea de undă în sine. O analogie mecanică este utilizarea unei scale Vernier pentru a măsura distanțe mult mai mici decât căpușele

Litopografia actuală a cipului EUV folosește un laser CO2 cu lungime de undă ~1e-6m care lovește o picătură de staniu. Staniul este încălzit pentru a forma o plasmă, cu tone de electroni împinși în sus în stări excitate. Când cad înapoi, eliberează lumină proporțională cu diferența de energie

Staniul este "materialul ideal" pentru aceasta, deoarece există o densitate mare de stări electronice care se grupează în jurul lungimii de undă de 13,5 nm Un laser "adevărat" excită de obicei o singură stare țintă pentru a obține o "lățime de linie" îngustă sau o singură lungime de undă, dar aceasta poate deveni mai largă prin coliziuni etc

Cele mai mici caracteristici de pe un cip sunt limitate de aceste lucruri - lungimea de undă a luminii, cât de îngust sau larg este spectrul de emisie etc. Deci, de ce nu găsim tranziții atomice cu energie mai mare pentru a obține lungimi de undă și mai mici și pentru a face un laser cu raze X?

Problema este că energia asociată cu tranziția depinde de cât de strâns legat este un electron de un nucleu, astfel încât tranzițiile de înaltă energie înseamnă un nucleu care are tone de protoni, iar electronul este "adânc" în stiva de orbitali. Acest lucru este greu de pompat optic și menține o inversare stabilă a populației. Înseamnă îndepărtarea unor cantități uriașe de nor de electroni pentru a "săpa adânc", ceea ce înseamnă în esență formarea unei plasme. Exact asta face ablația cu picături laser-staniu - formarea unei plasme de scurtă durată pentru a accesa tranziții profunde ale electronilor pentru a scoate lumina de înaltă energie.

deci, cum facem un laser cu raze X? Spunem - uitați de tranzițiile electronice cu totul. Vom lucra cu electronii înșiși, îi vom accelera într-un fascicul de particule și apoi îi vom scutura violent cu câmpuri magnetice. Aici devine răcoros

Accelerarea fasciculelor de electroni înseamnă producerea de câmpuri electrice de rezistență extrem de mare pentru a le oferi multă energie. Dacă este un câmp constant, ajungi să primești descărcări electrice, emisii de particule - se rupe în timp. Dacă este un câmp alternativ, câmpul medie de timp este zero. Dar, câmpurile electrice alternative creează câmpuri magnetice schimbătoare care induc curenți tranzitorii

Curenții tranzitorii ar pierde în mod normal multă energie pe suprafața conductorului înconjurător, motiv pentru care cavitățile accelerate de particule moderne sunt făcute dintr-un material supraconductor numit niobiu. Cavitățile de radiofrecvență supraconductoare sunt o tehnologie extrem de matură - în CERN etc

O problemă este că, deoarece câmpul electric este AC, jumătate din timp indică în direcția opusă. Deci, aduni particulele astfel încât să "rateze" câmpul de decelerare și să vadă doar câmpul de accelerare

Un punct secundar interesant este că masa unui electron este de doar 511 keV/c^2, ceea ce înseamnă că dacă îl accelerezi cu 1 mega-volt de câmp, atunci jumătate din energia sa totală este cinetică, cealaltă este masa (E=mc^2). Aceasta înseamnă că este deja la 94% din viteza luminii. Acest lucru este important...

Pentru că înseamnă că puteți stivui secțiuni lungi de cavități SRF una peste alta care funcționează sincron. Cavitățile SRF pot ajunge la 30 de megavolți/metru, iar facilitățile cu raze X le aliniază la kilometru LCLS-2 de la Stanford are electroni la 4 GeV

La aceste viteze relativiste, puteți crește energia grupului de particule cu 1000x și îi puteți schimba viteza reală doar cu >1% - da, relativitatea este ciudată. Motivul pentru care acest lucru este important este modul în care razele X sunt produse de fapt atunci când electronii se mișcă între magneți

Când treci un electron printr-un câmp magnetic, simte forța Lorentz și își schimbă direcția - această accelerație îl face să scuipe niște fotoni. Într-un "laser cu electroni liberi" treceți electronii printr-o serie lungă de magneți alternativi pentru a-i face să se miște fotoni

Deoarece electronii au o viteză ~1c, merg cu aceeași viteză cu fotonii pe care îi emit. Câmpul electric al acestor fotoni interacționează apoi cu electronii pentru a apropia ciorchinii de electroni - de la mm la nm

Acesta este modul în care laserele cu electroni liberi sunt "auto-amplificate" - pe măsură ce câmpul de fotoni din electroni îi apropie unul de celălalt, noii fotoni emiși se stivuiesc din ce în ce mai aproape

La sfârșitul FEL, deviați ciorchinii de electroni și rămâneți cu un laser de mare putere, cu lungime de undă extrem de mică, care poate vizualiza atomi / molecule individuale. Sau produceți cele mai mici caracteristici de cip din istorie!

notă secundară: o abordare mai nouă care concurează cu liniile de fascicul ale cavității SRF lungi de un kilometru este utilizarea unei plasme ca mediu de accelerare, care poate atinge câmpuri electrice de 1000 de ori mai mari decât o cavitate SRF (care sunt limitate de defalcare și alte efecte). Dezavantajul este luminozitatea mai mică a fasciculului de electroni, dar puteți "stivui" mai multe acceleratoare de plasmă cu câmp de trezire împreună pentru a obține din ce în ce mai multe ciorchini de electroni în wiggler.