Lorsqu'il s'agit de produire des faisceaux d'électrons de haute qualité comme ceux que l'on trouve dans les équipements scientifiques de pointe comme les lasers à électrons libres, les accélérateurs de diffraction et d'imagerie ultrarapide d'électrons et de champ de sillage, les scientifiques se sont penchés sur la technologie des photocathodes comme moyen de convertir la lumière en électrons. Ces outils donnent aux chercheurs un moyen de pénétrer plus profondément dans les matériaux et la structure et le comportement atomiques dans des conditions réelles.

Les photocathodes fonctionnent selon un processus appelé effet photoélectrique, dans lequel des photons - typiquement émis par un laser - frappent un matériau, excitant des électrons hors de sa surface. Les photocathodes sont préférables aux autres formes de cathodes car elles donnent aux scientifiques la possibilité de mieux contrôler la qualité du faisceau d'électrons. Encore, les photocathodes peuvent être améliorées.

Les scientifiques qui tentent de créer une nouvelle photocathode doivent développer un matériau répondant à trois paramètres différents. D'abord, il doit avoir une « efficacité quantique » élevée, c'est-à-dire le rapport des électrons produits par photon entrant. Seconde, il doit avoir une faible émittance intrinsèque, qui mesure de combien le faisceau peut diverger après sa production. Durer, la photocathode doit tolérer des conditions inférieures au vide parfait.

Dans une nouvelle étude du Laboratoire national d'Argonne du Département de l'énergie des États-Unis (DOE), les chercheurs ont démontré un nouveau matériau qui présente un excellent équilibre de ces paramètres.

Le matériau lui-même, appelé diamant ultrananocristallin, ou UNCD - est un matériau breveté par Argonne. Chercheurs du Centre des matériaux nanométriques (CNM) d'Argonne, une installation utilisateur du DOE Office of Science, ont synthétisé UNCD par une technique de dépôt chimique en phase vapeur. Le matériel de l'UNCD existe depuis plusieurs années, mais cette étude a été la première à l'appliquer aux photocathodes dans un environnement de canon à photocathode RF, a déclaré le physicien d'Argonne Jiahang Shao. « L'UNCD a été développé à Argonne pour d'autres applications, mais en raison de ses propriétés uniques, nous avons constaté qu'il convenait également aux besoins d'une photocathode avancée."

Selon Shao, la plupart des photocathodes précédentes pouvaient être métalliques ou semi-conductrices. Chaque, il a dit, avait des avantages et des inconvénients. Les photocathodes métalliques ont une durée de vie plus longue car elles peuvent survivre dans des environnements sous vide médiocres, mais les photocathodes semi-conductrices ont une efficacité quantique plus élevée.

Parce que les photocathodes à base d'UNCD peuvent être basculées chimiquement pour se comporter de manière semi-métallique, ils peuvent obtenir des avantages que l'on ne voit pas nécessairement dans les photocathodes en métal pur ou à semi-conducteur, dit Gongxiaohui Chen, actuellement post-doctorant à Argonne et premier auteur de l'étude.

"Normalement, le diamant pur agit comme un isolant, " a dit Chen. " Mais dans le cas de l'UNCD, il peut être réglé par différentes techniques de dopage pour se comporter comme un semi-métal. UNCD dopé à l'azote montre une valeur d'efficacité quantique plus élevée que certaines des meilleures photocathodes métalliques, excellente tolérance au vide, mieux que tous les semi-conducteurs et même certaines photocathodes métalliques, et une émittance intrinsèque modérée, dans la gamme des photocathodes métalliques et semi-conductrices de pointe."

L'étude a été menée sur le banc d'essai de cathode d'Argonne. Les travaux futurs comprennent des tests avec un champ de surface de cathode accru avec une conception d'assemblage de cathode améliorée, mesures du temps de réponse cathodique et caractérisation des cathodes à terminaison de surface.

Un article basé sur l'étude, "Démonstration de photocathodes de diamant ultrananocristallines incorporées à l'azote dans un environnement de canon RF, " paru dans le 27 octobre, numéro 2020 de Lettres de physique appliquée .