Quando si tratta di produrre fasci di elettroni di alta qualità come quelli che si trovano in apparecchiature scientifiche all'avanguardia come i laser a elettroni liberi, diffrazione elettronica ultraveloce e acceleratori di imaging e wakefield, gli scienziati hanno considerato la tecnologia del fotocatodo come un modo per convertire la luce in elettroni. Questi strumenti offrono ai ricercatori un modo per penetrare più profondamente nei materiali, nella struttura e nel comportamento atomici in condizioni reali.

I fotocatodi funzionano attraverso un processo chiamato effetto fotoelettrico, in cui i fotoni, tipicamente emessi da un laser, colpiscono un materiale, eccitando gli elettroni fuori dalla sua superficie. I fotocatodi sono preferibili ad altre forme di catodi perché danno agli scienziati la capacità di controllare meglio la qualità del fascio di elettroni. Ancora, i fotocatodi hanno margini di miglioramento.

Gli scienziati che cercano di creare un nuovo fotocatodo devono sviluppare un materiale che soddisfi tre diversi parametri. Primo, deve avere un'elevata "efficienza quantica", il rapporto di elettroni prodotti per fotone in arrivo. Secondo, deve avere una bassa emittanza intrinseca, che misura quanto il raggio può divergere dopo che è stato prodotto. Scorso, il fotocatodo deve tollerare condizioni inferiori al vuoto perfetto.

In un nuovo studio dell'Argonne National Laboratory del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti (DOE), i ricercatori hanno dimostrato un nuovo materiale che ha un eccellente equilibrio di questi parametri.

Il materiale stesso, chiamato diamante ultrananocristallino, o UNCD—è un materiale brevettato da Argonne. Ricercatori del Centro Argonne per i materiali su nanoscala (CNM), una struttura per gli utenti dell'Office of Science del DOE, hanno sintetizzato UNCD mediante una tecnica di deposizione chimica da vapore. Il materiale UNCD esiste da diversi anni, ma questo studio è stato il primo ad applicarlo ai fotocatodi in un ambiente di pistole fotocatodi RF, ha detto il fisico di Argonne Jiahang Shao. "UNCD è stato sviluppato ad Argonne per altre applicazioni, ma grazie alle sue proprietà uniche abbiamo scoperto che si adattava anche alle esigenze di un fotocatodo avanzato."

Secondo Shao, la maggior parte dei fotocatodi precedenti potevano essere metallici o semiconduttori. Ogni, Egli ha detto, aveva vantaggi e svantaggi. I fotocatodi metallici hanno tempi di vita più lunghi perché possono sopravvivere in ambienti poveri di vuoto, ma i fotocatodi semiconduttori hanno una maggiore efficienza quantica.

Poiché i fotocatodi basati su UNCD possono essere attivati ​​chimicamente per comportarsi in modo semi-metallico, possono ottenere benefici non necessariamente riscontrabili nei fotocatodi in metallo puro o semiconduttore, disse Gongxiaohui Chen, attualmente postdoc presso Argonne e primo autore dello studio.

"Normalmente, il diamante puro funge da isolante, " Ha detto Chen. "Ma nel caso dell'UNCD, può essere regolato attraverso diverse tecniche di drogaggio per comportarsi come un semimetallo. UNCD drogato con azoto mostra un valore di efficienza quantica più elevato rispetto ad alcuni dei migliori fotocatodi metallici, eccellente tolleranza al vuoto, meglio di tutti i semiconduttori e anche di alcuni fotocatodi metallici, e moderata emittanza intrinseca, nella gamma dei fotocatodi metallici e semiconduttori di ultima generazione."

Lo studio è stato condotto sul banco di prova Argonne Cathode. Il lavoro futuro include test con un campo di superficie del catodo aumentato con un design dell'assieme catodico migliorato, misure del tempo di risposta del catodo e caratterizzazione dei catodi terminati in superficie.

Un articolo basato sullo studio, "Dimostrazione di fotocatodi di diamante ultrananocristallino incorporati azoto in un ambiente di pistola RF, " apparso il 27 ottobre, numero 2020 di Lettere di fisica applicata .