Diamantkwantumimaging ontgrendelt power electronics van de volgende generatie

Diamantkwantumsensoren voor betere soft-magnetische materialen

De verbetering van de energieconversie-efficiëntie in power electronics is cruciaal voor een duurzame samenleving. Breed-bandgaap-semiconductoren zoals GaN- en SiC-poortapparaten bieden voordelen dankzij hun hoge-frequentiecapaciteiten. Energietekorten in passieve componenten bij hoge frequenties belemmeren echter efficiëntie en miniaturisatie. Dit benadrukt de behoefte aan geavanceerde zachte magnetische materialen met lagere energietekorten.

Nieuwe analyse methode voor hystereseverliezen

In een studie gepubliceerd in Communications Materials heeft een onderzoeksteam geleid door professor Mutsuko Hatano van de School of Engineering, Institute of Science, Tokyo, Japan, een nieuwe methode ontwikkeld voor het analyseren van dergelijke verliezen. Door de amplitude en fase van wisselstroom (AC) afstrayvelden simultaan te visualiseren, wat de sleutel is tot het begrijpen van hystereseverliezen, werd een doorbraak geboekt. Het onderzoek werd uitgevoerd in samenwerking met Harvard University en Hitachi, Ltd.

Twee meetprotocollen: Qurack en Qdyne

Met behulp van een diamantkwantumsensor met stikstof-vacantie (NV) centra en de ontwikkeling van twee protocollen — qubit-frequentietracking (Qurack) voor kHz en kwantum-heterodyne (Qdyne) imaging voor MHz frequenties — bereikten ze breedbereik AC-magnetische veldimaging.

Proof-of-principle experiment

De onderzoekers voerden een proof-of-principle experiment uit door een wisselstroom toe te passen op een 50-windingen spoel en de frequentie te varieren van 100 Hz tot 200 kHz voor Qurack en 237 kHz tot 2.34 MHz voor Qdyne. Zoals verwacht werden de amplitude en fase van het uniforme AC Ampère-magnetische veld gevisualiseerd met NV-centra met hoge ruimtelijke resolutie (2–5 µm), wat beide meetprotocollen valideerde.

Toepassing op CoFeB–SiO2 dunne films

Met dit innovatieve imaging-systeem kon het team simultaan de amplitude en fase van afstrayvelden van CoFeB–SiO2 dunne films in kaart brengen, die zijn ontwikkeld voor hoge-frequentie spoelen. Hun bevindingen onthulden dat deze films een bijna nul fasevertraging vertonen tot 2.3 MHz, wat duidt op verwaarloosbare energietekorten langs de harde as. Bovendien observeerden ze dat energietekort afhangt van de magnetische anisotropie van het materiaal — wanneer magnetisatie wordt aangedreven langs de makkelijke as, neemt de fasevertraging toe met frequentie, wat hogere energiedissipatie betekent.

Toekomstperspectieven

De resultaten tonen aan hoe kwantumsensing kan worden gebruikt om zachte magnetische materialen die bij hogere frequenties werken te analyseren, wat een grote uitdaging is bij de ontwikkeling van hoog-efficiënte elektronische systemen. De capaciteit om domeinwandbeweging op te lossen, een van de magnetisatiemechanismen die sterk gerelateerd is aan energietekorten, is een cruciale stap naar praktische vooruitgang en optimalisaties in elektronica.

De onderzoekers hopen de voorgestelde technieken verder te verbeteren. "De Qurack- en Qdyne-technieken die in deze studie worden gebruikt, kunnen worden verbeterd door enkele engineering-verbeteringen," aldus Hatano. "Qurack's prestaties kunnen worden verbeterd door het adopteren van hoogpresterende signaalgeneratoren om het amplitude-bereik uit te breiden, terwijl het optimaliseren van spinkohärenstijd en microgolfbesturingsnelheid Qdyne's frequentiedetectiebereik zou verbreden."

"Simultane imaging van de amplitude en fase van AC-magnetische velden over een breed frequentiebereik biedt talloze potentiële toepassingen in power electronics, elektromagneten, niet-vlatiel geheugen en spintronica-technologieën," zei Hatano. "Dit bijdraagt tot de versnelling van kwantumtechnologieën, met name in sectoren gerelateerd aan duurzame ontwikkelingsdoelen."