钻石量子传感器可以用来分析用于电力电子的软磁材料的磁化响应;这是科学家们基于合作研究的报告。利用一种新颖的成像技术,他们开发了量子协议,可以在高达2.3 MHz的广泛频率范围内同时成像交流杂散场的幅度和相位。他们的结果表明,量子传感是开发先进磁性材料在各种应用中的强大工具。
钻石量子传感器可以用来分析用于电力电子的软磁材料的磁化响应;这是科学家们基于合作研究的报告。利用一种新颖的成像技术,他们开发了量子协议,可以在高达2.3 MHz的广泛频率范围内同时成像交流杂散场的幅度和相位。他们的结果表明,量子传感是开发先进磁性材料在各种应用中的强大工具。
提高电力电子的能量转换效率对于建立可持续社会至关重要,而氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)等宽禁带半导体功率器件因其高频能力而具优势。然而,传统被动元件在高频时的能量损失制约了效率和缩小尺寸的可能。这突显了开发低能量损失的先进软磁材料的必要性。
在最近发表在《通讯材料》上的一项研究中,由日本东京科学研究院工程学院的波多野睦子教授领导的研究团队开发了一种新方法,通过同时成像交流(AC)杂散场的幅度和相位,分析这些损失,这对理解滞后损失至关重要。通过使用含氮空位(NV)中心的钻石量子传感器,并开发了两种协议——用于千赫(kHz)的量子比特频率跟踪(Qurack)和用于兆赫(MHz)的量子外差(Qdyne)成像,他们实现了广泛范围的交流磁场成像。这项研究是与哈佛大学和日立有限公司合作进行的。
研究人员通过对一个50圈线圈施加交流电流,并将频率从100 Hz扫到200 kHz用于Qurack,237 kHz扫到2.34 MHz用于Qdyne,进行了原理验证的广频范围磁场成像实验。正如预期,均匀的交流安培磁场的幅度和相位通过高空间分辨率(2-5 µm)的NV中心被成像,验证了这两种测量协议。
使用这一创新成像系统,团队能够同时绘制出用于高频感应器的CoFeB-SiO2薄膜的杂散磁场的幅度和相位。他们的发现揭示,这些薄膜在2.3 MHz以下表现出接近零的相位延迟,表明沿硬轴的能量损失微乎其微。此外,他们观察到能量损失依赖于材料的磁各向异性——当磁化沿易轴驱动时,相位延迟随着频率增加而增加,表示更高的能量耗散。
总体而言,这些结果展示了量子传感如何用于分析在更高频率下工作的软磁材料,这被认为是开发高效电子系统的重要挑战。值得注意的是,能够探测磁畴壁的运动,这是与能量损失密切相关的磁化机制,是重要的一步,推动了电子学中的重要实际进展和优化。
展望未来,研究人员希望以各种方式进一步改进所提出的技术。“本研究中使用的Qurack和Qdyne技术可以通过工程改进来增强,”波多野表示。“通过采用高性能信号发生器,Qurack的性能可以得到增强,从而扩大其幅度范围,而优化自旋相干时间和微波控制速度将扩展Qdyne的频率检测范围。”
“在广泛的频率范围内同时成像交流磁场的幅度和相位为电力电子、电磁铁、非易失性存储器和自旋电子技术提供了众多潜在应用,”波多野指出。“这一成功有助于加速量子技术的发展,特别是在与可持续发展目标和福祉相关的领域。”