A luz ultravioleta extrema (luz EUV) não ocorre naturalmente na Terra, mas pode ser produzido. Em máquinas de nanolitografia, A luz EUV é gerada usando um plasma de estanho extremamente quente. Pesquisadores da ARCNL, em estreita colaboração com o Laboratório Nacional Americano de Los Alamos, descobriram como tal plasma emite luz EUV em nível atômico, e fizeram descobertas inesperadas, relatando que todos os estados de energia excitados do estanho tinham a energia certa para emitir luz EUV. Os pesquisadores publicaram suas descobertas em Nature Communications em 11 de maio.

Máquinas de litografia de última geração usam luz EUV para imprimir estruturas extremamente pequenas em chips. A luz EUV com um comprimento de onda de cerca de 13,5 nanômetros pode ser refletida com eficiência usando espelhos multicamadas avançados. A fonte de luz nessas máquinas é um plasma de estanho. Para produzi-lo, uma gota de estanho é aquecida por um laser até o ponto em que se torna plasma que emite radiação EUV. Exatamente como esse processo ocorre é uma das perguntas que o pesquisador da ARCNL Oscar Versolato esperava responder com a bolsa ERC que recebeu em 2018. Junto com o pesquisador americano James Colgan, sua equipe conseguiu obter uma resposta muito mais completa e precisa a essa pergunta do que era possível anteriormente.

Pacotes de energia

"Se aquecermos o estanho a uma temperatura extremamente alta, até 400, 000 graus Celsius, então, os átomos se dividem em elétrons livres e íons carregados positivamente com cargas diferentes. Além disso, muitos desses íons estão em um estado excitado:um ou mais elétrons em órbita têm uma porção extra de energia. Esses elétrons circulam em uma órbita que está mais longe do núcleo atômico do que a órbita mais próxima. Quando eles retornam a uma órbita mais próxima do núcleo, que a energia adicional é liberada na forma de radiação EUV, "Versolato explica." Em um íon de estanho, um único elétron pode ter um pacote de energia extra, mas também é possível que vários elétrons tenham um simultaneamente. Eles orbitam no primeiro, o segundo terço ou mesmo a quarta camada em torno do núcleo atômico. Contudo, a probabilidade de um elétron atingir um estado de excitação superior torna-se cada vez menor a cada passo para cima. Foi, portanto, geralmente assumido que os elétrons no primeiro estado excitado emitiam principalmente a luz EUV no plasma de estanho. "

Experiência versus supercomputador

Como as medições experimentais do espectro EUV não concordaram inteiramente com essa suposição, os pesquisadores suspeitaram que estados de alta energia também contribuíram para a luz EUV emitida pelo plasma de estanho, mas o processo exato não estava claro. Versolato diz, "A única maneira de obter certeza sobre isso era calcular todas as transições de energia possíveis no plasma de estanho, uma tarefa quase impossível. Existem mais de 10 bilhões de transições possíveis entre os níveis de energia dos elétrons no plasma de estanho. "

Apenas um supercomputador é poderoso o suficiente para realizar tais cálculos. Os físicos da ARCNL, portanto, buscaram colaboração com o Laboratório Nacional de Los Alamos, que tem supercomputadores e especialistas na área de física atômica. "Como resultado desta colaboração, fomos, pela primeira vez, capaz de descrever como o plasma de estanho emite luz EUV com incrível precisão e integridade. E isso gerou percepções surpreendentes. "

Fonte EUV única

Ao comparar seus experimentos de laboratório com os cálculos de Los Alamos, os pesquisadores descobriram que não são apenas os elétrons que retornam do primeiro estado de energia excitada que emitem luz a 13,5 nanômetros. Elétrons em camadas superiores também contribuíram para isso, porque a diferença de energia entre estados excitados sucessivos é a mesma. "Isso significa que cada elétron que retorna a um estado de energia inferior contribui para a emissão de luz de 13,5 nanômetros. Essa propriedade torna o plasma de estanho único e excepcionalmente adequado como uma fonte EUV, "diz Versolato.

A pesquisa fundamental com a fonte de gotículas de estanho e a configuração do laser trouxe à luz as propriedades incomuns do plasma de estanho. Versolato:"Adquirimos novos conhecimentos surpreendentes sobre a criação da luz EUV. Devido ao nosso melhor entendimento de como o processo funciona, poderemos contribuir para uma maior otimização das fontes de EUV no futuro. "