量子之眼透视能量损耗：面向下一代电力电子设备的金刚石量子成像技术

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，宽带隙半导体（如GaN和SiC功率器件）因其高频特性展现出显著优势。然而，高频工况下无源元件的能量损耗制约了效率提升与小型化进程，这凸显出开发具有更低能量损耗的先进软磁材料的必要性。

近期发表于Communications Materials的研究中，日本东京工业大学工学院波多野睦子教授领导的研究团队开发了一种创新损耗分析方法。该方法通过同步成像交流（AC）杂散磁场的幅值与相位——这是理解磁滞损耗的关键因素，实现了突破。利用含氮空位（NV）中心的金刚石量子传感器，并结合两种创新协议——适用于千赫兹(kHz)频段的量子比特频率追踪技术（Qurack）与适用于兆赫兹(MHz)频段的量子外差成像技术（Qdyne），他们实现了宽频段交流磁场成像。该研究是与哈佛大学及日立公司合作完成。

研究人员通过在50匝线圈上施加交流电流进行原理验证性宽频磁场成像实验：Qurack技术扫描频率范围为100 Hz至200 kHz，Qdyne技术则为237 kHz至2.34 MHz。实验成功利用NV中心以高空间分辨率（2-5 µm）对均匀交流安培磁场的幅值和相位进行了成像，验证了两种测量协议的有效性。

借助该创新成像系统，团队同步绘制了专为高频电感器开发的CoFeB-SiO₂薄膜所产生的杂散磁场幅值与相位图。研究发现：该薄膜在高达2.3 MHz频率下表现出接近零的相位延迟，表明沿难磁化轴方向能量损耗可忽略不计；此外，能量损耗与材料磁各向异性密切相关——当磁化沿易磁化轴驱动时，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，该成果展示了量子传感技术可用于分析高频工况下的软磁材料特性——这被视为开发高效电子系统的重大挑战。值得注意的是，解析畴壁运动（与能量损耗密切相关的磁化机制之一）的能力是关键突破，将推动电子技术实现重要实践进展与优化。

展望未来，研究人员期望从多维度改进现有技术。"本研究所用的Qurack和Qdyne技术可通过工程优化增强性能，"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的频率检测范围。"

"宽频段交流磁场幅值与相位的同步成像技术在电力电子、电磁铁、非易失性存储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的发展，尤其在可持续发展目标与福祉相关领域。"