Quattro istantanee di tempo da una simulazione del modello. La simulazione mostra gli elettroni (punti rossi) che si muovono all'interno del fotocatodo di antimonio dopo che i fotoni sono stati assorbiti. Alcuni elettroni vengono emessi (punti verdi) dalla superficie del fotocatodo mentre altri vengono riflessi nel materiale. Il numero di elettroni emessi dipende dal campo elettrico applicato, la rugosità superficiale del materiale del fotocatodo, e l'energia dei fotoni assorbiti. Credito:Dimitre A. Dimitrov
Fotocatodi utilizzati negli impianti di acceleratori lineari, laser a elettroni liberi e sorgenti luminose a raggi X avanzate generano un fascio di elettroni per sondare la materia a livello atomico. I progressi nella scienza dei materiali hanno migliorato la composizione dei materiali utilizzati nella produzione di fotocatodi che possono operare a lunghezze d'onda visibili e produrre un raggio con una ridotta diffusione del momento dell'elettrone trasversale.
Nonostante questi progressi, la rugosità superficiale del fotocatodo continua a limitare le proprietà del fascio. Un team di ricerca ha creato modelli al computer per colmare il divario tra studi teorici e sperimentali per fornire un quadro migliore della fisica sulla superficie del fotocatodo. I risultati sono pubblicati questa settimana nel Rivista di fisica applicata .
Un raggio più freddo produce una sorgente di elettroni più luminosa, ma la rugosità superficiale può distruggere la freddezza del fascio di elettroni. Dimitre A. Dimitrov, uno scienziato della Tech-X Corp e uno degli autori della pubblicazione, sta lavorando con altri per ottimizzare questa caratteristica.
"Per la prima volta, possiamo coltivare catodi con rugosità superficiale appositamente progettata sul lato sperimentale, " Dimitrov ha detto. "La fisica alla superficie di un fotocatodo è incredibilmente complessa, e dobbiamo capirlo meglio [per] creare fasci di elettroni con proprietà ottimali".
Questo lavoro è la prima volta che viene effettuato un tentativo completo di realizzare modelli realistici della fisica essenziale sulla superficie del fotocatodo quando i fotoni vengono assorbiti e gli elettroni emessi. Utilizzando un software specializzato, il team ha creato modelli 3D che simulavano le emissioni di elettroni dai fotocatodi con rugosità superficiale piatta e varia.
Il team di ricerca ha utilizzato i modelli per simulare le emissioni dalla superficie di un appartamento, fotocatodo di antimonio. Hanno confrontato le simulazioni con i dati sperimentali per valutare le proprietà del fascio, compresa la resa quantica, che quantifica il numero di elettroni emessi per fotone assorbito, ed emissività trasversale, o l'emissione di elettroni perpendicolare alla direzione di propagazione del fascio. Il team ha anche confrontato le simulazioni dell'antimonio della rugosità superficiale nota con i dati sperimentali per valutare le stesse proprietà di emissione.
"Da questo lavoro, speriamo di ottenere una comprensione di come devono essere le superfici lisce e su quali scale spaziali, per assistere nella progettazione di fotocatodi per sorgenti di fotoni ed elettroni ultra-brillanti di prossima generazione, "ha detto Howard Padmore, vice di divisione al Lawrence Berkeley National Laboratory.
Le simulazioni in questo studio non includevano l'effetto della variazione della luce sulla rugosità superficiale. La ricerca futura esaminerà questa variabile per comprenderne l'effetto sulla distribuzione degli elettroni caricati, che potrebbe influenzare la resa quantica. Il gruppo di ricerca, che comprende anche scienziati del Brookhaven National Laboratory, hanno modellato l'antimonio nel loro studio, ma vogliono studiare altri materiali e confrontare quei dati con i risultati del loro studio sull'antimonio.
