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¿Qué son los fotocátodos

Un fotocátodo es un dispositivo que emite electrones cuando se expone a la luz, está formado por una capa de una sustancia metálica, generalmente cobre, sobre una base de cuarzo o vidrio. El número de electrones emitidos es directamente proporcional a la cantidad de luz que incide en el fotocátodo, por lo que son iluminados con fuentes de gran potencia. Sin embargo, los fotocátodos metálicos convencionales han demostrado tener limitaciones en términos de eficiencia cuántica y vida útil.
Para superar estas limitaciones, los investigadores han propuesto el uso de técnicas de nanoestructuración con láser en sustratos de cobre para conseguir la aparición de nanoestructuras capaces de soportar plasmones de superficie. Estas excitaciones decaen generando los llamados “electrones calientes”, que ayudan a aumentar la eficiencia cuántica de los procesos de fotoemisión empleados en los aceleradores de partículas como el CERN y en generadores de rayos X y de rayos gamma.

El equipo utilizó la nanoingeniería láser para modificar la superficie del cobre, creando nanoestructuras en su superficie más pequeñas que la longitud de onda óptica. Esta modificación permitió la generación antes indicada de electrones calientes. Los investigadores realizaron mediciones experimentales para cuantificar el rendimiento de los nuevos fotocátodos plasmónicos en una configuración típica de cañón de electrones del CERN.
Los resultados experimentales revelaron que los electrones calientes inducidos por plasmones condujeron a un aumento significativo en la eficiencia cuántica de los fotocátodos. Se observó un factor de mejora de la carga emitida de al menos 4.5 y hasta 25 en comparación con los fotocátodos metálicos estándar.
Otra de las ventajas de este nuevo diseño es que los fotocátodos plasmónicos pueden producirse fácilmente “in situ” en el mismo cañón de electrones en entornos de vacío y sin grandes interrupciones. Esto podría conducir a un funcionamiento sin precedentes continuo y eficiente de las fuentes de electrones, lo cual es de gran interés en diversas aplicaciones científicas que requieren haces de electrones de alta potencia.
El Dr. Alejandro Manjavacas, responsable del modelo cuántico que describe los electrones calientes generados por plasmones en una superficie metálica, comentó: “Este estudio representa un avance significativo en el desarrollo de fotocátodos más eficientes y robustos capaces de generar electrones de alta energía, y pueden contribuir a la mejora de tecnologías como las terapias FLASH contra el cáncer, el desarrollo de fuentes de rayos X y ultravioleta extremo (EUV), fotodetectores ultrarrápidos, sistemas recolectores de energía solar o transductores de luz a calor a nanoescala”.
Este es un trabajo de investigación en el que han participado los siguientes centros de investigación europeos:
CERN, European Organization for Nuclear Research, 1211 Geneva, Switzerland,
Department of Physics, NTNU–Norwegian University of Science and Technology, NO-7491 Trondheim, Norway
Department of Ultra-Precision Surfaces, Leibniz Institute of Surface Engineering (IOM)
Instituto de Óptica (IO-CSIC), Consejo Superior de Investigaciones Científicas, 28006 Madrid, Spain

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