Fotokathoden gebruikt in lineaire versnellerfaciliteiten, vrije elektronenlasers en geavanceerde röntgenlichtbronnen genereren een elektronenstraal om materie op atomair niveau te onderzoeken. Vooruitgang in de materiaalwetenschap heeft de samenstelling verbeterd van materialen die worden gebruikt bij de productie van fotokathoden die bij zichtbare golflengten kunnen werken en een bundel kunnen produceren met verminderde transversale spreiding van het elektronenmomentum.

Ondanks deze vorderingen, de oppervlakteruwheid van de fotokathode blijft de bundeleigenschappen beperken. Een onderzoeksteam creëerde computermodellen om de kloof tussen theoretische en experimentele studies te overbruggen om een ​​beter beeld te krijgen van de fysica aan het oppervlak van de fotokathode. De resultaten worden deze week gepubliceerd in de Tijdschrift voor Toegepaste Natuurkunde .

Een koudere bundel produceert een helderdere elektronenbron, maar oppervlakteruwheid kan de kou van de elektronenstraal vernietigen. Dimitre A. Dimitrov, een wetenschapper bij Tech-X Corp en een van de auteurs van de publicatie, werkt samen met anderen om deze eigenschap te optimaliseren.

"Voor de eerste keer, we kunnen kathodes kweken met specifiek ontworpen oppervlakteruwheden aan de experimentele kant, " zei Dimitrov. "De fysica aan het oppervlak van een fotokathode is ongelooflijk complex, en we moeten het beter begrijpen [om] elektronenstralen te creëren met optimale eigenschappen."

Dit werk is de eerste keer dat er een uitgebreide poging is gedaan om realistische modellering uit te voeren van de essentiële fysica aan het oppervlak van de fotokathode terwijl fotonen worden geabsorbeerd en elektronen worden uitgezonden. Met behulp van gespecialiseerde software, het team creëerde 3D-modellen die elektronenemissies van fotokathoden simuleerden met een vlakke en gevarieerde oppervlakteruwheid.

Het onderzoeksteam gebruikte de modellen om emissies van het oppervlak van een vlakke, antimoon fotokathode. Ze vergeleken de simulaties met experimentele gegevens om straaleigenschappen te evalueren, inclusief kwantumopbrengst, die het aantal elektronen kwantificeert dat per geabsorbeerd foton wordt uitgezonden, en transversale emissie, of de elektronenemissie loodrecht op de richting van bundelvoortplanting. Het team vergeleek ook simulaties van antimoon van bekende oppervlakteruwheid met experimentele gegevens om dezelfde emissie-eigenschappen te evalueren.

"Van dit werk we hopen inzicht te krijgen in hoe gladde oppervlakken moeten zijn en over welke ruimtelijke schalen, om te helpen bij het ontwerp van fotokathoden voor ultraheldere fotonen- en elektronenbronnen van de volgende generatie, " zei Howard Padmore, afdelingsafgevaardigde bij het Lawrence Berkeley National Laboratory.

In de simulaties in deze studie is het effect van variatie in licht op de oppervlakteruwheid niet meegenomen. Toekomstig onderzoek zal deze variabele onderzoeken om het effect ervan op de verdeling van geladen elektronen te begrijpen, die de kwantumopbrengst kunnen beïnvloeden. Het onderzoeksteam, waaronder ook wetenschappers van Brookhaven National Laboratory, gemodelleerd antimoon in hun onderzoek, maar ze willen andere materialen bestuderen en die gegevens vergelijken met de resultaten van hun antimoononderzoek.