Повышение эффективности преобразования энергии в силовой электронике жизненно важно для устойчивого общества, поскольку широкополосные полупроводники, такие как силовые устройства GaN и SiC, предлагают преимущества благодаря своим высокочастотным возможностям. Однако потери энергии в пассивных компонентах на высоких частотах снижают эффективность и миниатюризацию. Это подчеркивает необходимость в современных магнитомягких материалах с меньшими потерями энергии.

В недавнем исследовании, опубликованном в Communications Materials, исследовательская группа под руководством профессора Муцуко Хатано из инженерной школы Института науки Токио, Япония, разработала новый метод анализа таких потерь путем одновременного отображения амплитуды и фазы полей рассеяния переменного тока, которые являются ключом к пониманию гистерезиса потери. Используя алмазный квантовый датчик с азотно-вакансионными центрами (NV) и разработав два протокола - отслеживание частоты кубитов (Qurack) для частот кГц и квантово-гетеродинную визуализацию (Qdyne) для частот МГц - они реализовали визуализацию переменного магнитного поля в широком диапазоне. Это исследование было проведено в сотрудничестве с Гарвардским университетом и Hitachi, Ltd.

Исследователи провели эксперимент по визуализации магнитного поля в широком диапазоне частот, подтвердив принцип работы, подав переменный ток на 50-витковую катушку и настроив частоту от 100 Гц до 200 кГц для Qurack и от 237 кГц до 2,34 МГц для Qdyne. Как и ожидалось, амплитуда и фаза однородного магнитного поля переменного тока были получены с использованием NV-центров с высоким пространственным разрешением (2-5 мкм), что подтвердило правильность обоих протоколов измерений.

Используя эту инновационную систему визуализации, команда смогла одновременно отобразить амплитуду и фазу рассеянных магнитных полей на тонких пленках CoFeB-SiO ₂, которые были разработаны для высокочастотных индукторов. Их результаты показали, что эти пленки демонстрируют почти нулевую фазовую задержку до 2,3 МГц, что указывает на незначительные потери энергии вдоль жесткой оси. Более того, они заметили, что потери энергии зависят от магнитной анизотропии материала - когда намагничивание осуществляется вдоль оси easy, задержка фазы увеличивается с увеличением частоты, что означает более высокую рассеиваемую энергию.

В целом, результаты демонстрируют, как квантовое зондирование может быть использовано для анализа магнитомягких материалов, работающих на более высоких частотах, что считается серьезной проблемой при разработке высокоэффективных электронных систем. Примечательно, что способность разрешать движение доменных стенок, один из механизмов намагничивания, тесно связанный с потерями энергии, является ключевым шагом, ведущим к важным практическим достижениям и оптимизации в электронике.

Заглядывая в будущее, исследователи надеются еще больше усовершенствовать предложенные методы различными способами. "Методы Qurack и Qdyne, используемые в этом исследовании, могут быть усовершенствованы за счет инженерных усовершенствований", - говорит Хатано. "Производительность Qurack может быть повышена за счет использования высокопроизводительных генераторов сигналов для расширения амплитудного диапазона, в то время как оптимизация времени спиновой когерентности и скорости микроволнового управления расширила бы диапазон частотного обнаружения Qdyne".

"Одновременное отображение амплитуды и фазы магнитных полей переменного тока в широком диапазоне частот открывает множество потенциальных применений в силовой электронике, электромагнитах, энергонезависимой памяти и технологиях спинтроники", - отмечает Хатано. "Этот успех способствует ускорению развития квантовых технологий, особенно в секторах, связанных с целями устойчивого развития и благосостоянием".