Des chercheurs de Cornell révèlent l'avenir des photocathodes avec la ligne de lumière HERACLES

Le laboratoire Newman/Université Cornell

Une représentation visuelle de la ligne de lumière HERACLES, une machine qui émule les environnements difficiles des plus grands collisionneurs de particules.

Les chercheurs du Newman Lab expérimentent actuellement différents matériaux de photocathode et leur dégradation pour améliorer leur durabilité dans des environnements difficiles. Ce faisant, ils comprendront mieux les phénomènes, tels que les bombardements ioniques, qui ne se produisent qu’à des courants élevés.

Les photocathodes, surfaces qui émettent des électrons lorsqu'elles sont frappées par la lumière, sont aujourd'hui utilisées dans de nombreux instruments scientifiques, tels que les machines à rayons X, les lasers à électrons libres, la fabrication de semi-conducteurs et la microscopie électronique. Faire briller des types spécifiques de lasers sur ces photocathodes émettra des électrons en fonction des propriétés du laser et de la photocathode. Cependant, les photocathodes sont endommagées lorsqu'elles sont exposées à ces faisceaux laser pendant de longues périodes.

La ligne de lumière HERACLES (High ElectRon Average Current for Lifetime ExperimentS) est un accélérateur de test capable de créer un environnement similaire à celui des photo-injecteurs utilisés dans certains des plus grands collisionneurs de particules au monde. HERACLES est une installation d'essais, utilisée principalement pour le développement de connaissances fondamentales sur le comportement des photocathodes dans les accélérateurs de particules.

"En général, cet environnement est incroyablement dur pour la photocathode, entraînant une dégradation des performances", a déclaré Sam Levenson, diplômé du Newman Lab. "En reproduisant ces conditions de manière contrôlée, nous pouvons effectuer des recherches visant à améliorer la robustesse des photocathodes."

Les photocathodes peuvent être divisées en deux familles : les photocathodes métalliques et les photocathodes semi-conductrices. Les photocathodes métalliques sont une famille de photocathodes composées de métaux, comme le cuivre et le magnésium. Les photocathodes à semi-conducteurs sont généralement constituées d'arséniure de gallium, de nitrure de gallium et d'antimonide de césium.

Le Newman Lab a utilisé l’efficacité quantique – une mesure utilisée pour évaluer le rapport entre le nombre d’électrons émis et le nombre de photons – pour mesurer la sensibilité de la photocathode à la lumière.

Leur étude a révélé que les cathodes métalliques durent de longues périodes mais ne présentent pas une efficacité quantique élevée, ce qui signifie qu’elles ne sont pas très efficaces pour convertir les photons en électrons. Les cathodes semi-conductrices ont cependant des nombres quantiques très élevés mais ne durent pas très longtemps. À mesure que la photocathode meurt, l’efficacité quantique diminue, de sorte que la cathode n’est plus sensible à la lumière ou capable de convertir efficacement les photons en électrons, laissant la photocathode inefficace.

HERACLES émule ces environnements difficiles d'accélérateurs de particules en fonctionnant à des courants élevés avec des lasers puissants. Toutefois, cela peut avoir des effets négatifs sur les photocathodes.

« Lorsque le faisceau émis par [HERACLES] entre en collision avec des molécules de gaz résiduelles, cela les chargera positivement. Puisque les ions ont la charge opposée, ils sont accélérés vers la cathode », a déclaré Levenson.

Cette interaction, appelée bombardement ionique, endommage la photocathode.

Le laboratoire Newman teste actuellement différents emplacements d'une chambre de croissance par rapport à HERACLES, ainsi que différents revêtements de photocathode, pour favoriser une croissance avancée de photocathode. Les photocathodes à haut rendement doivent être maintenues sous vide pour atténuer les effets d’un empoisonnement chimique dû aux molécules de gaz, qui peuvent rapidement dégrader une photocathode.

Les photocathodes sont cultivées dans une chambre à vide située à un autre étage du laboratoire afin d'atténuer les effets d'un empoisonnement chimique, et elles doivent être transportées avec une valise à vide qui se connecte à l'arrière d'HERACLES. Ce processus prend du temps, conduisant à la dégradation des photocathodes. La construction d'une chambre de croissance attenante permettra de tester les photocathodes immédiatement après la croissance.

Les chercheurs testent également différents revêtements de photocathode semi-conducteurs pour déterminer leur sensibilité. Par exemple, l’arséniure de gallium nécessite une couche de césium à la surface, un élément chimique extrêmement sensible qui s’oxyde rapidement et facilement. Cela le rend extrêmement vulnérable au bombardement ionique qui dégrade ces photocathodes.