钻石量子成像解锁下一代功率电子技术

钻石量子传感器实现宽频带交流磁场成像，助力软磁材料损耗分析

提升功率电子的能量转换效率对于可持续社会至关重要。宽禁带半导体如氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）凭借高频特性具有显著优势，但在高频下无源器件的能量损耗阻碍了效率提升和小型化，这迫切需要开发低损耗的先进软磁材料。

创新成像技术揭示磁滞损耗机制

发表在《Communications Materials》上的研究中，东京科学大学工学院的畠野睦子教授团队，联合哈佛大学和日立株式会社，开发出一种新方法：利用氮-空位（NV）色心钻石量子传感器，同步成像交流杂散磁场的振幅和相位，从而定量分析磁滞损耗。研究团队建立了两套测量协议——面向kHz频段的量子比特频率跟踪（Qurack）和面向MHz频段的量子海特丁（Qdyne）成像，实现了宽频带交流磁场成像。

原理验证实验与关键发现

在原理验证实验中，研究人员向50匝线圈通入交流电，将频率从100 Hz扫描至200 kHz（Qurack）和237 kHz至2.34 MHz（Qdyne）。结果显示，均匀安培磁场的振幅和相位均能以2–5 µm的高空间分辨率成像，验证了两种协议的有效性。

利用该系统对开发用于高频电感器的CoFeB–SiO₂薄膜进行成像发现：该薄膜在硬轴方向上，相位延迟在2.3 MHz以内接近零，表明能量损耗可忽略；而在易轴方向驱动磁化时，相位延迟随频率增加，意味着能量耗散显著增大。这揭示了磁各向异性对能量损耗的决定性影响。

量子传感推动功率电子发展

研究展示了量子传感在高频软磁材料分析中的巨大潜力，特别是对磁畴壁运动——一种与能量损耗强相关的磁化机制——的分辨能力，将为电子器件的优化带来实质性进展。畠野教授表示，通过工程改进可进一步提升Qurack的振幅范围和Qdyne的频率检测范围。这种跨宽频带的交流磁场振幅/相位同步成像技术，在功率电子、电磁铁、非易失性存储和自旋电子学等领域具有广泛应用前景，将加速量子技术在可持续发展目标相关领域的落地。

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