"Gli acceleratori sono strumenti importanti per affrontare alcune delle grandi sfide affrontate dall'umanità", ha detto Hisato Yamaguchi, membro del gruppo Sigma-2 presso il Laboratorio. "Queste sfide includono la ricerca di energia sostenibile,il continuo ridimensionamento della potenza computazionale, il rilevamento e la mitigazione dei patogeni e lo studio della struttura e delle dinamiche degli elementi costitutivi della vita. E tutte queste sfide richiedono la capacità di accedere, osservare e controllare la materia sulla scala temporale di frontiera del movimento elettronico e sulla scala spaziale dei legami atomici".
Gli attuali acceleratori a fascio di elettroni generalmente utilizzano l'emissione termoionica, il riscaldamento del materiale per rilasciare elettroni. La prossima generazione di acceleratori genererà sorgenti di elettroni da fotoni, utilizzando fotocatodi, materiali in grado di convertire i fotoni in elettroni liberi e quindi fasci di elettroni. La natura di questo processo produce gas corrosivi che aggiungono un'usura significativa ai fotocatodi, interrompendo la ricerca per il servizio e aggiungendo tempo e costi ai progetti.
"Gli acceleratori del futuro richiedono fasci di elettroni sempre più performanti", ha affermato Yamaguchi. "Ma questi requisiti di prestazioni superano notevolmente le capacità delle attuali sorgenti di elettroni all'avanguardia". Affinché i fotocatodi funzionino negli acceleratori di prossima generazione, era necessario un rivestimento protettivo adeguato. Questo perché la reazione dei fotoni che colpiscono i fotocatodi per emettere elettroni produce anche gas corrosivo che può degradare rapidamente i fotocatodi a film sottile bialkali, fatti di antimonio, potassio e cesio.
Il cesio è il materiale ideale per gli acceleratori perché ha una bassa funzione di lavoro. La funzione di lavoro è la quantità di energia necessaria per rimuovere un elettrone dal materiale e metterlo nel vuoto, un passo necessario nella produzione di fasci di elettroni. Questa bassa funzione di lavoro ha un costo, tuttavia, sotto forma di aumento del danno da reazioni chimiche e sensibilità al bombardamento ionico. La durata dei fotocatodi a film sottile è limitata anche in stati di vuoto ultra elevato. I ricercatori hanno cercato un materiale che potesse proteggere il fotocatodo consentendo allo stesso tempo l'emissione di elettroni. Hanno trovato la loro risposta nel grafene.
"Per quanto ne so, non c'è nessun altro materiale che possa trasmettere elettroni e allo stesso tempo proteggere il materiale", ha detto Yamaguchi. "Un materiale molto poroso permetterà agli elettroni di trasmettere, ma poi non è possibile proteggere il materiale dal gas corrosivo. L'unicità del grafene è che è atomicamente abbastanza sottile da trasmettere elettroni, ma la struttura atomica è anche imballata quanto basta in modo che nessun gas corrosivo possa permearlo.
Il rivestimento dei fotocatodi bialkali ha rappresentato un'ambiziosa sfida tecnica. Distribuito sul fotocatodo in uno strato di un solo atomo di spessore, il grafene possiede un'elevata impermeabilità ai gas, che protegge il fotocatodo dal danno dei gas creati dalla conversione fotone-in-elettrone libero. Allo stesso tempo, l'elevata efficienza quantistica del grafene (la misura di quanto bene un materiale converte i fotoni in elettroni) significa che gli elettroni possono ancora passare attraverso il rivestimento, essenziale per creare e accelerare il fascio di elettroni per la ricerca. I ricercatori hanno scoperto che l'efficienza di trasmissione dei fotoelettroni era del 5%, che in teoria ha spazio per migliorare fino a circa il 50%, un tasso promettente che indica che il materiale è protetto pur consentendo la produzione di un fascio di elettroni. "Questi risultati dimostrano importanti progressi verso fotocathod bialkali completamente incapsulati con QE elevati e lunga durata utilizzando strati di protezione atomicamente sottili", ha affermato Yamaguchi. Il rivestimento fotocatodico si basa sulla tecnologia "Atomic Armor", che è stata selezionata per la R & D 100 nel 2019. Precedenti ricerche con la tecnologia del grafene hanno esplorato la sua utilità come barriera alla corrosione, potenzialmente applicata ad automobili, navi, aerei e altri beni.