La luce ultravioletta estrema (luce EUV) non si trova naturalmente sulla Terra, ma si può produrre. Nelle macchine per nanolitografia, La luce EUV viene generata utilizzando un plasma di stagno estremamente caldo. Ricercatori dell'ARCNL, in stretta collaborazione con l'American Los Alamos National Laboratory, hanno svelato come un tale plasma emette luce EUV a livello atomico, e hanno fatto scoperte inaspettate, riportando che tutti gli stati energetici eccitati dello stagno sono risultati avere l'energia giusta per emettere luce EUV. I ricercatori hanno pubblicato i loro risultati in Comunicazioni sulla natura l'11 maggio

Le moderne macchine litografiche utilizzano la luce EUV per stampare strutture estremamente piccole su chip. La luce EUV con una lunghezza d'onda di circa 13,5 nanometri può essere riflessa in modo efficiente utilizzando specchi multistrato avanzati. La fonte di luce in tali macchine è un plasma di stagno. Per produrlo, una goccia di stagno viene riscaldata da un laser fino a diventare plasma che emette radiazioni EUV. Come avviene esattamente questo processo è una delle domande a cui il ricercatore ARCNL Oscar Versolato sperava di rispondere con il finanziamento ERC ricevuto nel 2018. Insieme al ricercatore americano James Colgan, il suo team è riuscito a ottenere una risposta a questa domanda molto più completa e accurata di quanto fosse possibile in precedenza.

Pacchetti energetici

"Se riscaldiamo lo stagno a una temperatura estremamente elevata, fino a 400, 000 gradi Celsius, quindi gli atomi si disgregano in elettroni liberi e ioni carichi positivamente di cariche diverse. Per di più, molti di questi ioni sono in uno stato eccitato:uno o più degli elettroni orbitanti ha una porzione extra di energia. Questi elettroni ruotano in un'orbita più lontana dal nucleo atomico rispetto all'orbita più vicina. Quando ritornano in un'orbita più vicina al nucleo, che l'energia aggiuntiva viene rilasciata sotto forma di radiazione EUV, "Spiega Versolato. "In uno stagno ione, un singolo elettrone può avere un pacchetto di energia in più, ma è anche possibile che più elettroni ne abbiano uno contemporaneamente. orbitano nel primo, secondo terzo o anche quarto guscio attorno al nucleo atomico. Però, la probabilità che un elettrone raggiunga uno stato eccitato più elevato diventa sempre più piccola ad ogni passo verso l'alto. Si presumeva quindi generalmente che gli elettroni nel primo stato eccitato emettessero principalmente la luce EUV nel plasma di stagno".

Esperimento contro supercomputer

Poiché le misurazioni sperimentali dello spettro EUV non erano del tutto d'accordo con tale ipotesi, i ricercatori sospettavano che anche gli stati a più alta energia contribuissero alla luce EUV emessa dal plasma di stagno, ma il processo esatto non era chiaro. Versolato dice, "L'unico modo per avere certezze al riguardo era calcolare tutte le possibili transizioni energetiche nel plasma di stagno, un compito quasi impossibile. Ci sono più di 10 miliardi di possibili transizioni tra i livelli di energia per gli elettroni nel plasma di stagno".

Solo un supercomputer è abbastanza potente per eseguire tali calcoli. I fisici dell'ARCNL hanno quindi cercato la collaborazione con il Los Alamos National Laboratory, che ha sia supercomputer che esperti nel campo della fisica atomica. "Grazie a questa collaborazione, noi eravamo, per la prima volta, in grado di descrivere come il plasma di stagno emette luce EUV con incredibile precisione e completezza. E questo ha prodotto intuizioni sorprendenti".

Fonte EUV unica

Confrontando i loro esperimenti di laboratorio con i calcoli di Los Alamos, i ricercatori hanno scoperto che non sono solo gli elettroni che ritornano dal primo stato energetico eccitato che emettono luce a 13,5 nanometri. Anche gli elettroni nei gusci superiori hanno contribuito a questo, perché la differenza di energia tra stati eccitati successivi è la stessa. "Ciò significa che ogni elettrone che ritorna a uno stato energetico inferiore contribuisce all'emissione di luce di 13,5 nanometri. Questa proprietà rende il plasma di stagno unico ed eccezionalmente adatto come sorgente EUV, "dice Versolato.

La ricerca fondamentale con la sorgente di gocce di stagno e la configurazione del laser ha portato alla luce le proprietà insolite del plasma di stagno. Versolato:"Abbiamo acquisito nuove e sorprendenti conoscenze sulla creazione della luce EUV. Grazie alla nostra migliore comprensione di come funziona il processo, potremmo essere in grado di contribuire all'ulteriore ottimizzazione delle fonti EUV in futuro."