ダイヤモンド量子イメージングが次世代パワーエレクトロニクスの鍵を握る
パワーエレクトロニクスのエネルギー変換効率向上は、持続可能な社会の実現に不可欠です。GaN（窒化ガリウム）やSiC（炭化ケイ素）といったワイドバンドギャップ半導体は高周波動作が可能で大きな利点をもたらしますが、高周波数において受動部品のエネルギー損失が効率と小型化の妨げとなっています。このため、エネルギー損失の少ない先進的な軟磁性材料の開発が急務とされています。
量子センサーによるヒステリシス損失の可視化
東京科学大学工学院の畑野睦子教授らの研究チームは、ハーバード大学および株式会社日立製作所との共同研究により、交流（AC）漏れ磁場の振幅と位相を同時にイメージングする手法を開発しました。この手法はヒステリシス損失の理解に鍵となります。成果は学術誌『Communications Materials』に掲載されています。
二つのプロトコルで広帯域測定を実現
研究チームは、窒素-空孔（NV）センターを持つダイヤモンド量子センサーを用い、以下の二つのプロトコルを開発しました。
- Qurack（キュビット周波数追跡）：kHz帯域向け
- Qdyne（量子ヘテロダイン）イメージング：MHz帯域向け
これにより、100 Hzから2.34 MHzまでの広い周波数範囲でAC磁場イメージングを実現しました。
実証実験と成果
50ターンのコイルにAC電流を流し、周波数を掃引する実証実験を行ったところ、均一なACアンペール磁場の振幅と位相が、2–5 µmの高空間分解能でNVセンターによりイメージングされ、両プロトコルの有効性が検証されました。
さらに、高周波インダクタ向けに開発されたCoFeB–SiO₂薄膜の漏れ磁場を測定した結果、以下の知見が得られました。
- ハード軸方向では2.3 MHzまで位相遅延がほぼゼロであり、エネルギー損失が無視できるレベルであること
- イージー軸方向では周波数に伴い位相遅延が増大し、磁気異方性に依存してエネルギー散逸が生じること
今後の展望
畑野教授は、「QurackとQdyneはエンジニアリング的改良でさらなる性能向上が可能」と述べています。Qurackは高性能信号発生器の採用で振幅範囲を拡張でき、Qdyneはスピンコヒーレンス時間の最適化とマイクロ波制御の高速化で検出周波数範囲を拡大できるとのことです。
「広い周波数範囲でAC磁場の振幅と位相を同時にイメージングできることは、パワーエレクトロニクス、電磁石、不揮発性メモリ、スピントロニクスなど多くの応用が期待され、持続可能な開発目標（SDGs）に関連する分野における量子技術の加速に貢献します」と畑野教授は語っています。
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