p Quando se trata de produzir feixes de elétrons de alta qualidade, como os encontrados em equipamentos científicos de última geração, como lasers de elétrons livres, difração ultrarrápida de elétrons e aceleradores de imagem e wakefield, cientistas têm olhado para a tecnologia do fotocátodo como uma forma de converter luz em elétrons. Essas ferramentas fornecem aos pesquisadores uma maneira de penetrar mais profundamente nos materiais e na estrutura atômica e no comportamento em condições do mundo real. p Os fotocátodos funcionam por meio de um processo chamado efeito fotoelétrico, em que fótons - normalmente emitidos por um laser - atingem um material, excitar elétrons de sua superfície. Os fotocátodos são preferíveis a outras formas de cátodos porque dão aos cientistas a capacidade de controlar melhor a qualidade do feixe de elétrons. Ainda, os fotocátodos têm espaço para melhorar.

p Os cientistas que tentam criar um novo fotocátodo precisam desenvolver um material que atenda a três parâmetros diferentes. Primeiro, ele deve ter alta "eficiência quântica" - a proporção de elétrons produzidos por fóton que chega. Segundo, ele precisa ter baixa emitância intrínseca, que mede o quanto o feixe pode divergir depois de ser produzido. Último, o fotocátodo deve tolerar condições inferiores a um vácuo perfeito.

p Em um novo estudo do Laboratório Nacional de Argonne do Departamento de Energia dos EUA (DOE), pesquisadores demonstraram um novo material que apresenta um excelente equilíbrio desses parâmetros.

p O próprio material - chamado de diamante ultranocristalino, ou UNCD - é um material patenteado pela Argonne. Pesquisadores do Centro de Materiais em Nanoescala de Argonne (CNM), um DOE Office of Science User Facility, sintetizaram UNCD por uma técnica de deposição de vapor químico. O material UNCD existe há vários anos, mas este estudo foi o primeiro a aplicá-lo a fotocátodos em um ambiente de arma fotocátodo RF, disse o físico de Argonne Jiahang Shao. "UNCD foi desenvolvido em Argonne para outras aplicações, mas, por causa de suas propriedades exclusivas, descobrimos que também se adequava às necessidades de um fotocátodo avançado. "

p De acordo com Shao, a maioria dos fotocátodos anteriores podiam ser metálicos ou semicondutores. Cada, ele disse, tinha vantagens e desvantagens. Fotocátodos metálicos têm vida útil mais longa porque podem sobreviver em ambientes de vácuo pobres, mas os fotocátodos semicondutores têm maior eficiência quântica.

p Como os fotocátodos baseados em UNCD podem ser quimicamente alternados para se comportar de maneira semimetálica, eles podem alcançar benefícios não necessariamente observados em fotocátodos de metal puro ou semicondutores, disse Gongxiaohui Chen, atualmente é pós-doutorado em Argonne e primeiro autor do estudo.

p "Normalmente, diamante puro atua como um isolante, "Disse Chen." Mas no caso do UNCD, ele pode ser ajustado por meio de diferentes técnicas de dopagem para se comportar como um semimetal. UNCD dopado com nitrogênio mostra um valor de eficiência quântica mais alto do que alguns dos melhores fotocátodos metálicos, excelente tolerância a vácuo, melhor do que todos os semicondutores e até mesmo alguns fotocátodos metálicos, e emitância intrínseca moderada, na gama de fotocátodos metálicos e semicondutores de última geração. "

p O estudo foi conduzido na bancada de teste do cátodo de Argonne. O trabalho futuro inclui testes com um campo de superfície de cátodo aumentado com um design de montagem de cátodo melhorado, medições do tempo de resposta do cátodo e caracterização dos cátodos com terminação de superfície.

p Um artigo baseado no estudo, "Demonstração de fotocátodos de diamante ultranocristalino com incorporação de nitrogênio em um ambiente de arma de RF, "apareceu em 27 de outubro, Edição de 2020 de Cartas de Física Aplicada .