I fotocatodi che producono fasci di elettroni per microscopi elettronici e acceleratori avanzati possono essere aggiornati e ricostruiti ripetutamente senza aprire i dispositivi che si basano su di essi, a condizione che i materiali che emettono elettroni siano depositati su strati di carbonio dello spessore di un singolo atomo noti come grafene, secondo un nuovo studio pubblicato sulla rivista Lettere di fisica applicata .

"Le macchine che si basano su questi emettitori di elettroni funzionano tipicamente sotto vuoto spinto, ", ha affermato il fisico del Los Alamos National Laboratory Hisato Yamaguchi. "Scegliendo il grafene rispetto a materiali come il silicio o il molibdeno, che tendono a degradarsi durante l'uso, possiamo pulire il substrato e ridepositare i materiali che emettono elettroni senza aprire il vuoto. Ciò può ridurre drasticamente i tempi di fermo e la manodopera necessari per la sostituzione dei fotocatodi".

I ricercatori hanno studiato i fotocatodi fatti di antimonide di cesio potassio, che emettono in modo efficiente elettroni quando illuminati con alta potenza, luce laser verde. L'efficienza del fotocatodo diminuisce con l'uso, e i fotocatodi devono essere sostituiti o rinnovati con il materiale che emette elettroni cotto e sostituito in situ. Quando i ricercatori hanno rinnovato i fotocatodi su substrati di silicio o molibdeno, che sono materiali comuni per tali dispositivi, le prestazioni del fotocatodo sono diminuite ad ogni ciclo. Seguendo la stessa procedura con il grafene che funge da substrato, si ottiene un'emissione di elettroni uniformemente elevata, di volta in volta.

I ricercatori hanno proposto che la resilienza dei fotocatodi depositati sulle superfici di grafene fosse dovuta a un legame più debole tra gli atomi dell'emettitore e lo strato di carbonio sottostante. I calcoli numerici basati sulle proprietà del materiale degli emettitori e del grafene erano coerenti con l'ipotesi.

Gli autori hanno concluso il loro studio affermando, "I nostri risultati forniscono una base per i prodotti a base di grafene, substrati riutilizzabili per fotocatodi semiconduttori ad alta [efficienza quantistica]."

Oltre a Yamaguchi di Los Alamos, collaboratori inclusi ricercatori delle istituzioni giapponesi Nagoya University, la High Energy Accelerator Research Organization (KEK), gli Istituti Nazionali di Scienze Naturali, e l'Università di Hiroshima.

La ricerca è stata pubblicata il 22 giugno sulla rivista Lettere di fisica applicata .