Diamond Quantum Imaging desbloquea la electrónica de potencia de próxima generación

Electrónica de Potencia INSIDER

Estos métodos para analizar imanes blandos ayudarán a mejorar el rendimiento de la electrónica de potencia. (Imagen:Ciencia Tokio)

Mejorar la eficiencia de la conversión de energía en la electrónica de potencia es vital para una sociedad sostenible, ya que los semiconductores de banda prohibida amplia, como los dispositivos de potencia de GaN y SiC, ofrecen ventajas debido a sus capacidades de alta frecuencia. Sin embargo, las pérdidas de energía en los componentes pasivos a altas frecuencias dificultan la eficiencia y la miniaturización. Esto subraya la necesidad de materiales magnéticos blandos avanzados con menores pérdidas de energía.

En un estudio publicado en Materiales de comunicación , un equipo de investigación dirigido por el profesor Mutsuko Hatano de la Escuela de Ingeniería del Instituto de Ciencias de Tokio, Japón, ha desarrollado un método novedoso para analizar dichas pérdidas obteniendo imágenes simultáneamente de la amplitud y la fase de los campos parásitos de corriente alterna (CA), lo cual es clave para comprender las pérdidas por histéresis. El estudio se llevó a cabo en colaboración con la Universidad de Harvard y Hitachi, Ltd.

Utilizando un sensor cuántico de diamante con centros de nitrógeno vacante (NV) y desarrollando dos protocolos:seguimiento de frecuencia de qubit (Qurack) para kHz e imágenes cuánticas heterodinas (Qdyne) para frecuencias de MHz, lograron imágenes de campo magnético de CA de amplio rango.

Los investigadores llevaron a cabo un experimento de prueba de principio de imágenes de campo magnético de amplio rango de frecuencia aplicando una corriente alterna a una bobina de 50 vueltas y barriendo la frecuencia de 100 Hz a 200 kHz para Qurack y de 237 kHz a 2,34 MHz para Qdyne. Como se esperaba, se obtuvieron imágenes de la amplitud y la fase del campo magnético uniforme de amperios de CA utilizando centros NV con alta resolución espacial (2–5 µm), validando ambos protocolos de medición.

Utilizando este innovador sistema de imágenes, el equipo pudo mapear simultáneamente la amplitud y la fase de los campos magnéticos parásitos de las películas delgadas de CoFeB-SiO2, que se han desarrollado para inductores de alta frecuencia. Sus hallazgos revelaron que estas películas exhiben un retraso de fase casi nulo de 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 dirige a lo largo del eje fácil, el retraso de fase aumenta con la frecuencia, lo que significa una mayor disipación de energía.

En general, los resultados muestran cómo se puede utilizar la detección cuántica para analizar materiales magnéticos blandos que funcionan a frecuencias más altas, lo que se considera un desafío importante en el desarrollo de sistemas electrónicos altamente eficientes. En particular, la capacidad de resolver el movimiento de la pared de dominio, uno de los mecanismos de magnetización fuertemente relacionados con las pérdidas de energía, es un paso fundamental que conduce a importantes avances prácticos y optimizaciones en la electrónica.

De cara al futuro, los investigadores esperan mejorar aún más las técnicas propuestas de varias maneras. "Las técnicas Qurack y Qdyne utilizadas en este estudio pueden mejorarse mediante algunas mejoras de ingeniería", dijo Hatano. "El rendimiento de Qurack se puede mejorar adoptando generadores de señales de alto rendimiento para ampliar su rango de amplitud, mientras que optimizar el tiempo de coherencia de espín y la velocidad de control de microondas ampliaría el rango de detección de frecuencia de Qdyne".

"La obtención de imágenes simultáneas de la amplitud y fase de los campos magnéticos de CA en un amplio rango de frecuencia ofrece numerosas aplicaciones potenciales en electrónica de potencia, electroimanes, memoria no volátil y tecnologías de espintrónica", dijo Hatano. "Esto contribuye a la aceleración de las tecnologías cuánticas, particularmente en sectores relacionados con los objetivos de desarrollo sostenible."

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