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可能性を拓く

パワー エレクトロニクス インサイダー

軟磁石を分析するこれらの方法は、パワー エレクトロニクスの性能向上に役立ちます。 （画像：サイエンス東京）

パワーエレクトロニクスにおけるエネルギー変換効率の向上は、持続可能な社会にとって不可欠であり、GaN や SiC パワーデバイスなどのワイドバンドギャップ半導体は高周波機能による利点を備えています。しかし、高周波における受動部品のエネルギー損失は、効率と小型化の妨げとなります。これは、エネルギー損失の少ない先進的な軟磁性材料の必要性を強調しています。

Communications Materials に掲載された研究によると 東京理科大学工学部の波多野睦子教授率いる研究チームは、ヒステリシス損失を理解する鍵となる交流（AC）漂遊磁界の振幅と位相を同時に画像化することで、このような損失を解析する新しい方法を開発した。この研究は、ハーバード大学および株式会社日立製作所と共同で実施されました。

窒素空孔 (NV) 中心を備えたダイヤモンド量子センサーを使用し、2 つのプロトコル (kHz の量子ビット周波数追跡 (Qurack) と MHz 周波数の量子ヘテロダイン (Qdyne) イメージング) を開発することで、広範囲の AC 磁場イメージングを実現しました。

研究者らは、50巻のコイルにAC電流を印加し、Qurackの場合は100 Hzから200 kHz、Qdyneの場合は237 kHzから2.34 MHzまで周波数を掃引することにより、原理実証の広周波数範囲磁場イメージング実験を実施しました。予想どおり、均一な AC アンペア磁場の振幅と位相が、高い空間分解能 (2 ～ 5 μm) の NV センターを使用して画像化され、両方の測定プロトコルが検証されました。

この革新的なイメージング システムを使用して、研究チームは、高周波インダクタ用に開発された CoFeB-SiO2 薄膜からの漂遊磁場の振幅と位相を同時にマッピングすることができました。彼らの調査結果では、これらのフィルムが 2.3 MHz までほぼゼロの位相遅延を示し、困難軸に沿ったエネルギー損失が無視できることを示していることが明らかになりました。さらに、彼らは、エネルギー損失が材料の磁気異方性に依存することを観察しました。磁化が磁化容易軸に沿って駆動されると、周波数とともに位相遅延が増加し、エネルギー散逸が増加することを意味します。

全体として、この結果は、高効率の電子システムを開発する上での大きな課題と考えられている、より高い周波数で動作する軟磁性材料を解析するために量子センシングをどのように使用できるかを示しています。特に、エネルギー損失に強く関係する磁化メカニズムの 1 つである磁壁の動きを解決する能力は、エレクトロニクスにおける重要な実用的な進歩と最適化につながる極めて重要なステップです。

今後に向けて、研究者らは提案された技術をさまざまな方法でさらに改良したいと考えています。 「この研究で使用された Qurack および Qdyne 技術は、いくつかのエンジニアリングの改善によって強化できる可能性があります」と波多野氏は述べています。 「Qurack の性能は、高性能信号発生器を採用して振幅範囲を拡張することで強化できますが、スピン コヒーレンス時間とマイクロ波制御速度を最適化すると、Qdyne の周波数検出範囲が広がります。」

「広い周波数範囲にわたる交流磁場の振幅と位相の同時イメージングは、パワーエレクトロニクス、電磁石、不揮発性メモリ、スピントロニクス技術において数多くの潜在的な応用を提供します」と波多野氏は述べた。 「これは、特に持続可能な開発目標に関連する分野での量子技術の加速に貢献します。」

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