Американские физики создали фотокатод из монокристалла меди, яркость излучения которого в четыре раза превышает существующие аналоги. Для этого его охладили до температуры в 35 кельвин и облучали фотонам с длинами волн, близкими к порогу фотоэмиссии. Кроме того, ширина спектра излучения поверхности оказалось равной всего 11,5 миллиэлектронвольт, что на порядок меньше предыдущих результатов.

Статья опубликована в Physical Review Letters.

Один из способов получения электронных пучков — фотоэмиссия — активно используется для лазеров на свободных электронах, сверхбыстрой электронной дифракции и микроскопии. Фотоэмиссия — процесс выбивания фотонами электронов с поверхности фотокатода. Такие электроны называются фотоэлектронами, их энергия определяется разностью энергии падающих фотонов и работой выхода катода E = ℏω – W. Если энергия фотона так мала, что эта разность стремится к нулю, то такой режим называется порогом фотоэмиссии.

Для активного использования подобных источников электронов в исследованиях необходимо, чтобы излучаемые ими пучки электронов были яркими — яркость источника показывает, насколько направленно вылетают электроны с поверхности источника. Если, к примеру, есть два источника, и один излучает сто электронов за секунду, которые разлетаются в разные стороны, а из второго те же сто электронов в секунду летят вдоль одной прямой, то яркость второго будет больше.

Если ученым удастся научиться делать фотокатоды с высокой яркостью электронных пучков, то появится возможность изучать решетки кристаллов больших размеров и можно будет получать больше информации об их электронной структуре.

Яркость пучка фотокатода обратно пропорциональна площади, с которой вылетают электроны, и средней энергии в поперечном сечении (МТЕ). Эта энергия эквивалентна температуре излученных фотоэлектронов, поэтому снижение температуры фотокатода приводит к увеличению яркости источника. Еще одной важной характеристикой фотокатодов является разброс электронов по энергиям. Чем он меньше, тем проще исследовать, например, очень быстрые колебания решетки.

У источников, которые используются сейчас, МТЕ составляет несколько сотен миллиэлектронвольт и в грубом приближении считается равной трети энергии электронов. На пороге генерации фотоэлектронов можно наблюдать более низкие значения МТЕ за счет того, что излучение происходит из «хвоста» распределения Ферми и МТЕ можно ограничить произведением постоянной Больцмана на температуру. В таком режиме при комнатной температура МТЕ не превышает 25 миллиэлектронвольт.

В 2015 году физики из Корнеллского университета показали , что при охлаждении фотокатодов до 90 кельвин на границе фотоэмиссии можно добиться значения МТЕ в 20 миллиэлектронвольт, в то время как теоретические расчеты предсказывали 7,5 миллиэлектронвольт при такой температуре.

Дело в том, что поверхность катода неидеальна, она может быть шероховатой или неоднородной, а работа выхода электронов может колебаться во времени. Поэтому очень важно делать катоды из монокристаллов с упорядоченной атомарной структурой. Такие кристаллы еще удобны тем, что их значительно легче моделировать. Достаточно использовать простую модель, которая учитывает переход электронов из кристалла в вакуум и отлично согласуется с экспериментальными данными.

(a) Измеренные и рассчитанные значения МТЕ для различных энергий фотонов; (b) Распределение электронов по энергиям для различных энергий фотонов; © Распределение электронов по энергиям для энергии фотона 4,43 электронвольт. / Howard Padmore et al. / Physical Review Letters, 2020

В новой работе американские физики под руководством Говарда Падморе (Howard Padmore) из Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли при участии одного из авторов работы 2015 года использовали фотокатод из монокристалла меди Cu(100). Образец подготавливали ионным бомбардированием и отжигом в несколько циклов.

Затем, на него направляли лазер слабой интенсивности, чтобы в каждом импульсе было не больше одного фотона. Вылетевшие с поверхности фотокатода электроны попадали в ускоряющее электрическое поле и направлялись на детектор. Исследователи измеряли время полета электронов и их отклонение от первоначальной траектории — этих данных достаточно, чтобы рассчитать МТЕ.

Наименьшее полученное значение МТЕ составило 5 миллиэлектронвольт при энергии фотонов 4,43 электронвольт. При это же энергии фотонов наблюдалось самое узкое распределение электронов по энергиям — меньше 11,5 миллиэлектронвольт.