量子之眼透视能量损耗：面向新一代电力电子器件的金刚石量子成像技术

提高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，以氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)为代表的宽禁带半导体功率器件因其高频特性展现出显著优势。然而，高频下无源元件的能量损耗阻碍了效率提升与小型化进程，这凸显了对低损耗先进软磁材料的迫切需求。

在最近发表于《通讯-材料》的研究中，日本东京科学大学工程学院波多野睦子教授领导的团队开发了一种创新分析法，通过同步成像交流杂散磁场的幅值与相位——这两个决定磁滞损耗的关键参数——来解析此类损耗。该团队利用含氮空位(NV)中心的金刚石量子传感器，开发出两种协议：适用于千赫兹频段的量子位频率追踪技术(Qurack)与适用于兆赫兹频段的量子外差法(Qdyne)成像技术，实现了宽频段交流磁场成像。本研究与哈佛大学及株式会社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进行原理验证实验：Qurack技术扫描100 Hz至200 kHz频段，Qdyne技术扫描237 kHz至2.34 MHz频段。正如预期，利用NV中心以高空间分辨率(2-5 µm)成功成像了均匀交流安培磁场的幅值与相位，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钴铁硼-二氧化硅(CoFeB-SiO₂)薄膜杂散磁场的幅相分布图。研究发现该薄膜在2.3 MHz内保持趋近于零的相位延迟，表明沿硬轴方向的能量损耗可忽略不计。此外还发现能量损耗与材料磁各向异性相关：当磁化沿易轴驱动时，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分析高频软磁材料的能力——这正是开发高效电子系统面临的关键挑战。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）的能力实现重大突破，为电子器件带来重要实用化进展与优化空间。

展望未来，研究人员希望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的幅值检测范围，而优化自旋相干时间与微波控制速度则将拓宽Qdyne的频率检测范围。"

"宽频段交流磁场幅相同步成像技术在电力电子、电磁铁、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，"这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。"