La imagen cuántica con diamante impulsa la electrónica de potencia de próxima generación

La mejora de la eficiencia en la conversión de energía en la electrónica de potencia es fundamental para una sociedad sostenible. Los semiconductores de banda ancha como el nitruro de galio (GaN) y el carburo de silicio (SiC) ofrecen ventajas significativas gracias a sus capacidades de alta frecuencia. Sin embargo, las pérdidas de energía en los componentes pasivos a altas frecuencias limitan la eficiencia y la miniaturización, lo que subraya la necesidad de materiales magnéticos blandos avanzados con menores pérdidas.

Un avance en la caracterización de materiales magnéticos

En un estudio publicado en Communications Materials, un equipo de investigación liderado por la profesora Mutsuko Hatano, de la Escuela de Ingeniería del Instituto de Ciencia de Tokio (Japan), ha desarrollado un método innovador para analizar estas pérdidas mediante la obtención simultánea de imágenes de la amplitud y la fase de los campos magnéticos parásitos de corriente alterna (CA), clave para comprender las pérdidas por histéresis. El trabajo se realizó en colaboración con la Universidad de Harvard y Hitachi, Ltd.

Tecnología de sensores cuánticos de diamante

Los investigadores utilizaron un sensor cuántico de diamante con centros de vacancia de nitrógeno (NV) y desarrollaron dos protocolos de medición: el seguimiento de frecuencia de qubit (Qurack) para el rango de kHz y la imagen de heterodino cuántico (Qdyne) para frecuencias en el rango de MHz, logrando así una obtención de imágenes de campos magnéticos de CA en un amplio rango de frecuencias.

Validación experimental

Como prueba de concepto, el equipo aplicó una corriente alterna a una bobina de 50 vueltas y barrió frecuencias de 100 Hz a 200 kHz con Qurack y de 237 kHz a 2,34 MHz con Qdyne. Se obtuvieron imágenes de la amplitud y la fase del campo magnético ampereano uniforme con alta resolución espacial (2-5 µm), validando ambos protocolos.

Análisis de películas delgadas CoFeB-SiO₂

Utilizando este sistema de imagen, los investigadores mapearon simultáneamente la amplitud y la fase de los campos magnéticos parásitos de películas delgadas de CoFeB-SiO₂, desarrolladas para inductores de alta frecuencia. Los resultados revelaron que estas películas presentan un retardo de fase cercano a cero hasta 2,3 MHz, lo que indica pérdidas de energía insignificantes a lo largo del eje duro. Además, observaron que la pérdida de energía depende de la anisotropía magnética del material: cuando la magnetización se impulsa a lo largo del eje fácil, el retardo de fase aumenta con la frecuencia, lo que señala una mayor disipación de energía.

Implicaciones y futuro

En conjunto, los resultados demuestran cómo la detección cuántica puede analizar materiales magnéticos blandos que operan a frecuencias más altas, un desafío clave para desarrollar sistemas electrónicos de alta eficiencia. La capacidad de resolver el movimiento de paredes de dominio, uno de los mecanismos de magnetización fuertemente relacionado con las pérdidas de energía, representa un paso fundamental hacia avances prácticos y optimizaciones en electrónica.

De cara al futuro, los investigadores buscan mejorar las técnicas propuestas. "Los métodos Qurack y Qdyne pueden mejorarse con avances de ingeniería", señaló Hatano. "El rendimiento de Qurack puede ampliarse adoptando generadores de señal de alto rendimiento para extender su rango de amplitud, mientras que optimizar el tiempo de coherencia del espín y la velocidad de control de microondas ampliaría el rango de detección de frecuencia de Qdyne".

"La obtención simultánea de imágenes de amplitud y fase de campos magnéticos de CA en un amplio rango de frecuencias ofrece numerosas aplicaciones potenciales en electrónica de potencia, electroimanes, memoria no volátil y tecnologías espintrónicas", añadió Hatano. "Esto contribuye a acelerar las tecnologías cuánticas, particularmente en sectores relacionados con los objetivos de desarrollo sostenible".