Охолодження фотокатода з монокристала міді зробило його випромінювання вчетверо яскравіше

Для цього його охолодили до температури в 35 кельвін і опромінювали фотоном довжиною хвиль, близькими до порогу фотоемісії. Крім того, ширина спектра випромінювання поверхні виявилася рівною усього 11,5 мілліелектронвольт, що на порядок менше попередніх результатів. Повідомляє Physical Review Letters.

Один зі способів отримання електронних пучків — фотоемісія, — активно використовться для лазерів на вільних електронах, надшвидкої електронної дифракції та мікроскопії. Фотоемісія — процес вибивання фотонами електронів з поверхні фотокатода. Такі електрони називаються фотоелектронами, їх енергія визначається різницею енергії падаючих фотонів і роботою виходу катода E = ℏω - W. Якщо енергія фотона така мала, що ця різниця прямує до нуля, то такий режим називається порогом фотоемісії.

Для активного використання подібних джерел електронів у дослідженнях необхідно, щоб пучки електронів, які ними випромінюються були яскравими — яскравість джерела показує, наскільки цілеспрямовано вилітають електрони з поверхні джерела. Якщо, наприклад, є два джерела, і одне випромінює сто електронів за секунду, що розлітаються в різні боки, а з другого ті ж сто електронів у секунду летять уздовж однієї прямої, то яскравість другого буде більшою. Якщо вченим вдасться навчитися робити фотокатоди з високою яскравістю електронних пучків, то з'явиться можливість вивчати решітки кристалів великих розмірів і можна буде отримувати більше інформації про їх електронну структуру. Яскравість пучка фотокатода обернено пропорційна площі, з якої вилітають електрони, і середній енергії в поперечному перерізі (МТЕ). Ця енергія еквівалентна температурі випромінених фотоелектронів, тому зниження температури фотокатода призводить до збільшення яскравості джерела. Ще однією важливою характеристикою фотокатодів є розкид електронів по енергіях. Чим він менший, тим простіше дослідити, наприклад, дуже швидкі коливання решітки.

У джерел, які використовуються (1, 2) зараз, МТЕ становить кілька сотень мілліелектронвольт і в грубому наближенні вважається рівною третині енергії електронів. На порозі генерації фотоелектронів можна спостерігати більш низькі значення МТЕ внаслідок того, що випромінювання відбувається з «хвоста» розподілу Фермі й МТЕ можна обмежити добутком постійної Больцмана на температуру. У такому режимі при кімнатній температура МТЕ не перевищує 25 мілліелектронвольт.

У 2015 році фізики з Корнельського університету показали, що при охолодженні фотокатодів до 90 кельвін на кордоні фотоемісії можна домогтися значення МТЕ у 20 мілліелектронвольт, у той час як теоретичні розрахунки передбачали 7,5 мілліелектронвольт при такій температурі. Річ у тому, що поверхня катода неідеальна, вона може бути шорсткою або неоднорідною, а робота виходу електронів може коливатися в часі. Тому дуже важливо робити катоди з монокристалів із упорядкованою атомарною структурою. Такі кристали ще зручні тим, що їх значно легше моделювати. Досить використовувати просту модель, яка враховує перехід електронів з кристала у вакуум і добре узгоджується з експериментальними даними.

У новій роботі американські фізики під керівництвом Говарда Падморе (Howard Padmore) із Національної лабораторії імені Лоуренса в Берклі за участю одного з авторів роботи 2015 року використали фотокатод з монокристала міді Cu (100). Зразок готували іонним бомбуванням і відпалом в кілька циклів. Потім, на нього направляли лазер слабкої інтенсивності, щоб в кожному імпульсі було не більше одного фотона. Фотокатоди, що вилетіли з поверхні електрона потрапляли в прискорене електричне поле і прямували на детектор. Дослідники вимірювали час польоту електронів і їх відхилення від первісної траєкторії — цих даних достатньо, щоб розрахувати МТЕ.

Найменше отримане значення МТЕ склало 5 мілліелектронвольт при енергії фотонів 4,43 електронвольт. При цій же енергії фотонів спостерігалося найвужчий розподіл електронів по енергіях — менше ніж 11,5 мілліелектронвольт.

Різні способи вирощування монокристалів відкривають великі можливості для досліджень. Раніше корейські хіміки розробили технологію вирощування плоских металевих монокристалів площею до 32 квадратних сантиметрів. Для цього був використаний метод безконтактного відпалу в атмосфері водню при температурі, близькій до температури плавлення металу.

Джерело: The Epoch Times