Investigadores de Cornell revelan el futuro de los fotocátodos con HERACLES Beamline

El laboratorio Newman/Universidad de Cornell

Una representación visual de la línea de luz HERACLES, una máquina que emula los entornos hostiles de los colisionadores de partículas más grandes.

Actualmente, los investigadores del Newman Lab están experimentando con diferentes materiales de fotocátodos y su degradación para mejorar su durabilidad en entornos hostiles. Al hacerlo, comprenderán mejor fenómenos, como los bombardeos de iones, que sólo se producen a altas corrientes.

Los fotocátodos, superficies que emiten electrones cuando son impactadas por la luz, se utilizan hoy en día para muchos instrumentos científicos, como máquinas de rayos X, láseres de electrones libres, fabricación de semiconductores y microscopía electrónica. Al hacer brillar tipos específicos de láseres sobre estos fotocátodos se emitirán electrones según las propiedades del láser y del fotocátodo. Sin embargo, los fotocátodos se dañan cuando se exponen a estos rayos láser durante largos períodos de tiempo.

La línea de luz de corriente promedio de alta electrón para experimentos de por vida (HERACLES) es un acelerador de prueba que puede crear un entorno similar al de los fotoinyectores utilizados en algunos de los colisionadores de partículas más grandes del mundo. HERACLES es una instalación de pruebas que se utiliza principalmente en el desarrollo de conocimientos fundamentales sobre el comportamiento de los fotocátodos en aceleradores de partículas.

"En general, este entorno es increíblemente duro para el fotocátodo, lo que provoca una degradación del rendimiento", afirmó el graduado Sam Levenson, que trabaja en el laboratorio Newman. "Al replicar esas condiciones de forma controlada, podemos realizar investigaciones destinadas a mejorar la robustez de los fotocátodos".

Los fotocátodos se pueden dividir en dos familias: fotocátodos metálicos y fotocátodos semiconductores. Los fotocátodos metálicos son una familia de fotocátodos compuestos por metales, como cobre y magnesio. Los fotocátodos semiconductores suelen estar compuestos de arseniuro de galio, nitruro de galio y antimonuro de cesio.

El Laboratorio Newman utilizó la eficiencia cuántica, una métrica utilizada para evaluar la relación entre el número de electrones emitidos y el número de fotones, para medir la sensibilidad del fotocátodo a la luz.

Su estudio encontró que los cátodos metálicos duran largos períodos de tiempo pero no exhiben una alta eficiencia cuántica, lo que significa que no son muy efectivos para convertir fotones en electrones. Los cátodos semiconductores, sin embargo, tienen números cuánticos muy altos pero no duran mucho. A medida que el fotocátodo muere, la eficiencia cuántica disminuye, por lo que el cátodo ya no es sensible a la luz ni puede convertir eficazmente los fotones en electrones, lo que deja al fotocátodo ineficaz.

HERACLES emula estos duros entornos de aceleradores de partículas funcionando a altas corrientes con potentes láseres. Sin embargo, esto puede tener efectos negativos sobre los fotocátodos.

“Cuando el rayo emitido [HERACLES] colisiona con moléculas de gas residuales, las cargará positivamente. Como los iones tienen carga opuesta, se aceleran hacia el cátodo”, dijo Levenson.

Esta interacción, llamada bombardeo de iones, daña el fotocátodo.

Actualmente, el Newman Lab está probando diferentes ubicaciones de una cámara de crecimiento en relación con HERACLES, así como diferentes recubrimientos de fotocátodos, para promover el crecimiento avanzado de los fotocátodos. Los fotocátodos de alta eficiencia deben mantenerse al vacío para mitigar los efectos del envenenamiento químico de las moléculas de gas, que pueden degradar rápidamente un fotocátodo.

Los fotocátodos se cultivan en una cámara de vacío ubicada en un piso diferente del laboratorio para mitigar los efectos del envenenamiento químico, y deben transportarse con una maleta de vacío que se conecta a la parte trasera de HERACLES. Este proceso lleva tiempo y conduce a la degradación de los fotocátodos. La construcción de una cámara de crecimiento adjunta permitirá probar los fotocátodos inmediatamente después del crecimiento.

Los investigadores también están probando diferentes recubrimientos de fotocátodos semiconductores para determinar su sensibilidad. Por ejemplo, el arseniuro de galio requiere una capa de cesio en la superficie, que es un elemento químico extremadamente sensible que se oxida rápida y fácilmente. Esto lo deja extremadamente vulnerable al bombardeo de iones que degrada estos fotocátodos.

Esta área de investigación proporciona información sobre la potencia de las fuentes de fotocátodos en rayos X, microscopía electrónica y más dispositivos que dependen de fotocátodos. Tener fotocátodos que puedan resistir más tiempo en ambientes hostiles creará instrumentos más efectivos no solo en instalaciones de física de partículas, sino también en hospitales, laboratorios y otras instituciones que dependen de esta tecnología.