Spiral plasmonic lenses for tunable nanoscale ultrafast electron emitters

Nowadays, electron beam sources obtained in radiofrequency guns suffer from low brightness, in spite of the high values of current that can be obtained. To increase the brightness, the idea is to reduce the emittance of the electron beam, going towards photocathodes with a small emitting area. Tips cannot be used in high field environments such the ones created inside the guns, for their limited lifetimes; the idea is to use flat metal photocathodes. The problem with the photocathodes in the state of the art is that the emitting area is limited by the laser spot size on the cathode, usually around 10 μm or more. This limits the applications in which these electron beams are used, such as Ultrafast Electron Diffraction (UED), that requires both high temporal and spatial resolution to obtain maps of structural dynamics at the nanoscale. The idea then, is to manipulate the oscillations of free electrons in a metal using optical fields. The coupling of light into Surface Plasmon Polaritons (SPPs) using a grating in the so called plasmonic lenses is exploited to focus the electromagnetic energy in a flat central spot with subwavelength dimensions. The high values of the intensity reached in this way, and the fact that metals usually have high work functions, lead to the extraction of electrons through a nonlinear process, called multiphoton photoemission, using an infrared laser to excite the structure. In this way we can overcome some limitations linked to the exploitation of UV light to obtain single photon photoemission, mainly consisting in low quantum efficiency of metals and in high power needed to upconvert the fundamental harmonic. An example of plasmonic lens is the bull’s eye, but it presents the problem of requiring a very accurate laser alignment in the very center of the structure to excite the SPPs through a radial polarization. In this work, developed at Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), the Archimedean spiral is studied as a valid and interesting alternative, overcoming the problem of the alignment by exploiting a circular polarization of the laser light, following a first study on this structure conducted at LBNL in [1]. The spirals are simulated and optimized using Lumerical FDTD Solutions both in reflection and transmission configuration, showing the possibility of obtaining ultrafast electron pulses. The spirals are then fabricated in a cleanroom class 100 in the Nanofabrication division at Molecular Foundry (LBNL). Electron Beam Lithography and Template stripping are used to fabricate the spirals in reflection configuration, as already tested in [1]. For the first time also the spirals in transmission configuration are fabricated; the technique chosen is Focused Ion Beam. In the end, a careful experimental activity is made at Building 2 of LBNL, trying to obtain a current through a 3-photon process from a copper cathode placed inside a DC gun and using a mode locked Titanium Sapphire laser. This last experimental work can be considered preliminary to the future testing of the fabricated plasmonic nanocathodes.

Un’importante limitazione che caratterizza, al giorno d’oggi, i fasci elettronici generati all’interno di cannoni elettronici a radiofrequenza, nonostante gli elevati valori di corrente ottenuti, è la bassa brillanza. Un modo per aumentare la brillanza del fascio è diminuirne l’emittanza, estraendo elettroni da fotocatodi con aree di piccole dimensioni. Non è tuttavia possibile utilizzare fotocatodi a punta in ambienti di campo così elevato, poiché essi sono caratterizzati da vita limitata. L’alternativa è utilizzare fotocatodi metallici piatti; il problema con i catodi utilizzati al presente stato dell’arte è connesso con la loro area di emissione, ancora elevata, limitata dalle dimensioni dello spot laser sul catodo. Quest’ area è solitamente non inferiore ai 10 μm. Tutto ciò limita le applicazioni in cui questi fasci elettronici vengono utilizzati; una di queste è la Ultrafast Electron Diffraction (UED), la quale richiede contemporaneamente elevata risoluzione temporale e spaziale per indagare la dinamica strutturale della materia alla nanoscala. L’idea è quindi quella di manipolare le oscillazioni di elettroni liberi sulla superficie di un metallo, usando campi ottici. L’accoppiamento della luce in Surface Plasmon Polaritons (SPPs) utilizzando un grating, nelle cosiddette lenti plasmoniche, permette di focalizzare l’energia in una piccola area centrale di dimensioni ben inferiori alla lunghezza d’onda della luce. Gli elevati valori di intensità luminosa così ottenuti, uniti al fatto che i metalli sono caratterizzati da un’elevata funzione lavoro, portano all’estrazione di elettroni tramite un processo non lineare, chiamato fotoemissione a più fotoni, usando un laser nell’infrarosso per eccitare le strutture. In questo modo si superano alcune limitazioni che caratterizzano i metalli quando stimolati con luce UV, impiegata per ottenere fotoemissione a singolo fotone; i metalli infatti mostrano bassa efficienza quantica in questo range di frequenze; inoltre sono necessarie elevate potenze per convertire l’armonica fondamentale in armoniche superiori. Un esempio di lente plasmonica è il bull’s eye, il quale tuttavia richiede un preciso allineamento del laser al centro della struttura per eccitare i SPPs tramite polarizzazione radiale. Nel presente lavoro, sviluppato presso Lawrence Berkeley National Laboratory (LBNL), la spirale archimedea è analizzata come valida alternativa di lente plasmonica, superando il problema dell’allineamento con l’utilizzo di una polarizzazione circolare, come già emerso nel primo lavoro incentrato su questa struttura e sviluppato sempre a LBNL [1]. Le spirali sono simulate e ottimizzate in due differenti configurazioni di utilizzo, riflessione e trasmissione, utilizzando Lumerical FDTD Solutions. Si mostra la possibilità di estrarre impulsi elettronici ultraveloci, compatibili per l’utilizzo in UED. Le strutture sono quindi fabbricate in una cleanroom classe 100 nella Nanofabrication division presso la Molecular Foundry (LBNL). Le tecniche di Electron Beam Lithography e Template stripping, già sperimentate in [1], sono impiegate per fabbricare le spirali in riflessione. Le spirali in trasmissione sono fabbricate qui per la prima volta; la tecnica scelta è quella di Focused Ion Beam. Un’ultima parte del lavoro è focalizzata nel tentativo di estrarre elettroni tramite fotoemissione a tre fotoni da un catodo di rame posto all’interno di un cannone elettronico (Direct Current gun) nel Building 2 di LBNL, usando un laser Titanio Zaffiro in mode locking. Quest’ultima parte del lavoro può essere considerata preliminare al futuro testing dei nanocatodi plasmonici prodotti.