量子之眼洞察能量损耗：金刚石量子成像技术赋能新一代电力电子

提升电力电子设备的能量转换效率对可持续发展社会至关重要，氮化镓（GaN）和碳化硅（SiC）等宽禁带半导体功率器件凭借其高频特性优势展现出巨大潜力。然而，高频环境下无源元件的能量损耗制约了效率提升与小型化进程，这凸显了对低能耗先进软磁材料的迫切需求。

东京科学大学工程研究所的波多野睦子教授团队在《通讯-材料》发表最新研究，开发出一种通过同步成像交流（AC）杂散磁场振幅与相位来解析能量损耗的创新方法——该方法对理解磁滞损耗机制具有关键意义。利用具有氮空位（NV）中心的金刚石量子传感器，并开发出两种测量协议：适用于千赫兹频段的量子比特频率追踪（Qurack）及适用于兆赫兹频段的量子外差（Qdyne）成像技术，团队实现了宽频域交流磁场成像。本研究与哈佛大学及日立制作所合作完成。

研究人员通过在50匝线圈施加交流电流展开原理验证性宽频磁场成像实验：Qurack协议扫描频率为100赫兹至200千赫兹，Qdyne协议为237千赫兹至2.34兆赫兹。实验结果成功以高空间分辨率（2-5微米）对均匀交流安培磁场的振幅与相位进行成像，验证了两种测量协议的有效性。

借助该创新成像系统，团队同步测绘了专为高频电感器开发的钴铁硼-二氧化硅（CoFeB-SiO₂）纳米薄膜的杂散磁场振幅与相位。研究发现该薄膜在2.3兆赫兹频率内保持近似零相位延迟，表明沿硬磁轴方向的能量损耗可忽略不计；同时发现能量损耗与材料磁各向异性密切相关——当磁化沿易磁化轴进行时，相位延迟随频率增加而增大，意味着更高能量耗散。

总体而言，该成果证实了量子传感技术在分析高频软磁材料方面的应用价值——这正是开发高效电子系统面临的核心挑战。尤为关键的是，解析畴壁运动（能量损耗的主要磁化机制之一）的能力将推动电子技术实现重大实践突破与优化。

展望未来，研究人员计划从多维度改进现有技术。"本研究采用的Qurack与Qdyne技术可通过工程优化提升性能，"波多野教授指出，"采用高性能信号发生器可扩展Qurack的振幅测量范围，而优化自旋相干时间与微波控制速度则能拓宽Qdyne的频率检测带宽。"

"宽频域交流磁场振幅与相位同步成像技术在电力电子、电磁体、非易失性存储器及自旋电子学领域具有广阔应用前景，"波多野强调，"此项突破将加速量子技术发展，特别是在可持续发展目标与民生福祉相关领域。"