Cuando se trata de producir haces de electrones de alta calidad como los que se encuentran en equipos científicos de última generación como los láseres de electrones libres, difracción de electrones ultrarrápida y aceleradores de wakefield y de imagen, Los científicos han buscado la tecnología de fotocátodos como una forma de convertir la luz en electrones. Estas herramientas brindan a los investigadores una forma de penetrar más profundamente en los materiales y la estructura y el comportamiento atómicos en condiciones del mundo real.

Los fotocátodos funcionan a través de un proceso llamado efecto fotoeléctrico, en el que los fotones, normalmente emitidos por un láser, golpean un material, excitando electrones de su superficie. Los fotocátodos son preferibles a otras formas de cátodos porque brindan a los científicos la capacidad de controlar mejor la calidad del haz de electrones. Todavía, los fotocátodos tienen margen de mejora.

Los científicos que intentan crear un nuevo fotocátodo necesitan desarrollar un material que cumpla con tres parámetros diferentes. Primero, tiene que tener una alta "eficiencia cuántica", la proporción de electrones producidos por fotón entrante. Segundo, necesita tener una baja emitancia intrínseca, que mide cuánto puede divergir el haz después de producirse. Último, el fotocátodo debe tolerar condiciones inferiores a un vacío perfecto.

En un nuevo estudio del Laboratorio Nacional Argonne del Departamento de Energía de EE. UU. (DOE), Los investigadores han demostrado un nuevo material que tiene un excelente equilibrio de estos parámetros.

El material en sí, llamado diamante ultraanocristalino, o UNCD — es un material patentado por Argonne. Investigadores del Centro de Materiales a Nanoescala de Argonne (CNM), una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE, han sintetizado UNCD mediante una técnica de deposición química de vapor. El material de la UNCD existe desde hace varios años, pero este estudio fue el primero en aplicarlo a los fotocátodos en un entorno de pistola de fotocátodos de RF, dijo el físico de Argonne Jiahang Shao. "UNCD se desarrolló en Argonne para otras aplicaciones, pero debido a sus propiedades únicas, descubrimos que también se adaptaba a las necesidades de un fotocátodo avanzado ".

Según Shao, la mayoría de los fotocátodos anteriores podrían ser metálicos o semiconductores. Cada, él dijo, tenía ventajas e inconvenientes. Los fotocátodos metálicos tienen una vida útil más larga porque pueden sobrevivir en entornos de vacío deficientes, pero los fotocátodos semiconductores tienen una mayor eficiencia cuántica.

Debido a que los fotocátodos basados ​​en UNCD se pueden alternar químicamente para comportarse de manera semimetálica, pueden lograr beneficios que no necesariamente se ven en los fotocátodos de metal puro o semiconductores, dijo Gongxiaohui Chen, actualmente es un postdoctorado en Argonne y primer autor del estudio.

"Normalmente, el diamante puro actúa como aislante, ", Dijo Chen." Pero en el caso de UNCD, se puede ajustar mediante diferentes técnicas de dopaje para que se comporte como un semimetal. UNCD dopado con nitrógeno muestra un valor de eficiencia cuántica más alto que algunos de los mejores fotocátodos metálicos, excelente tolerancia al vacío, mejor que todos los semiconductores e incluso algunos fotocátodos metálicos, y emitancia intrínseca moderada, en la gama de fotocátodos metálicos y semiconductores de última generación ".

El estudio se llevó a cabo en el banco de pruebas de cátodos de Argonne. El trabajo futuro incluye pruebas con un campo de superficie de cátodo aumentado con un diseño de ensamblaje de cátodo mejorado, mediciones del tiempo de respuesta del cátodo y caracterización de cátodos terminados en superficie.

Un artículo basado en el estudio, "Demostración de fotocátodos de diamante ultraanocristalinos incorporados en nitrógeno en un entorno de pistola de RF, "apareció en el 27 de octubre, Edición de 2020 de Letras de física aplicada .