Quatre instantanés à partir d'une simulation de modèle. La simulation montre des électrons (points rouges) se déplaçant à l'intérieur de la photocathode d'antimoine après l'absorption des photons. Certains électrons sont émis (points verts) par la surface de la photocathode tandis que d'autres sont réfléchis dans le matériau. Le nombre d'électrons émis dépend du champ électrique appliqué, la rugosité de surface du matériau de la photocathode, et l'énergie des photons absorbés. Crédit :Dimitre A. Dimitrov
Photocathodes utilisées dans les installations d'accélérateurs linéaires, les lasers à électrons libres et les sources lumineuses à rayons X avancées génèrent un faisceau d'électrons pour sonder la matière à un niveau atomique. Les progrès de la science des matériaux ont amélioré la composition des matériaux utilisés dans la production de photocathode qui peuvent fonctionner à des longueurs d'onde visibles et produire un faisceau avec une propagation transversale de la quantité de mouvement des électrons réduite.
Malgré ces avancées, la rugosité de surface de la photocathode continue de limiter les propriétés du faisceau. Une équipe de recherche a créé des modèles informatiques pour combler le fossé entre les études théoriques et expérimentales afin de fournir une meilleure image de la physique à la surface de la photocathode. Les résultats sont publiés cette semaine dans le Journal de physique appliquée .
Un faisceau plus froid produit une source d'électrons plus lumineuse, mais la rugosité de surface peut détruire la froideur du faisceau d'électrons. Dimitre A. Dimitrov, un scientifique de Tech-X Corp et l'un des auteurs de la publication, travaille avec d'autres pour optimiser cette caractéristique.
"Pour la première fois, nous pouvons cultiver des cathodes avec une rugosité de surface spécialement conçue du côté expérimental, " a déclaré Dimitrov. " La physique à la surface d'une photocathode est incroyablement complexe, et nous devons mieux le comprendre [pour] créer des faisceaux d'électrons avec des propriétés optimales."
Ce travail est la première fois qu'il y a eu une tentative complète de faire une modélisation réaliste de la physique essentielle à la surface de la photocathode lorsque les photons sont absorbés et les électrons émis. À l'aide de logiciels spécialisés, l'équipe a créé des modèles 3D qui simulaient les émissions d'électrons des photocathodes avec une rugosité de surface plane et variée.
L'équipe de recherche a utilisé les modèles pour simuler les émissions de la surface d'un appartement, photocathode d'antimoine. Ils ont comparé les simulations aux données expérimentales pour évaluer les propriétés du faisceau, y compris le rendement quantique, qui quantifie le nombre d'électrons émis par photon absorbé, et l'émittance transversale, ou l'émission d'électrons perpendiculairement à la direction de propagation du faisceau. L'équipe a également comparé des simulations d'antimoine de rugosité de surface connue à des données expérimentales pour évaluer les mêmes propriétés d'émission.
« De ce travail, nous espérons comprendre à quel point les surfaces doivent être lisses et à quelles échelles spatiales, aider à la conception de photocathodes pour les sources de photons et d'électrons ultra-brillantes de nouvelle génération, " a déclaré Howard Padmore, adjoint de division au Lawrence Berkeley National Laboratory.
Les simulations de cette étude n'incluaient pas l'effet de la variation de la lumière sur la rugosité de la surface. Des recherches futures examineront cette variable pour comprendre son effet sur la distribution des électrons chargés, ce qui pourrait affecter le rendement quantique. L'équipe de recherche, qui comprend également des scientifiques du Brookhaven National Laboratory, modélisé l'antimoine dans leur étude, mais ils veulent étudier d'autres matériaux et comparer ces données aux résultats de leur étude sur l'antimoine.
