Kvanttisilmät energianhukan etsinnässä

Tehoelektroniikan energianmuunnostehokkuuden parantaminen on elintärkeää kestävälle yhteiskunnalle, ja laajan kaistanleveyden puolijohteet, kuten GaN- ja SiC-tehopiirit, tarjoavat tässä suhteessa etuja korkeataajuusominaisuuksiensa ansiosta.

Korkeilla taajuuksilla passiivisten komponenttien energiahäviöt kuitenkin haittaavat tehokkuutta ja pienentämistä. Tämä korostaa edistyneiden pehmeiden magneettisten materiaalien tarvetta, joilla on pienemmät energiahäviöt.

Äskettäin julkaistussa tutkimuksessa professori Mutsuko Hatanon johtama tutkimusryhmä Japanin tiedekunnasta, Institute of Science Tokiosta, kehitti uuden menetelmän tällaisten häviöiden analysoimiseksi kuvaamalla samanaikaisesti vaihtovirran hajakenttien amplitudia ja vaihetta, jotka ovat avainasemassa hystereesihäviöiden ymmärtämisessä.

Käyttämällä timanttikvanttianturia, jossa on typpivapaankeskuksia, ja kehittämällä kaksi protokollaa – Qubit Frequency Tracking (Qurack) kHz-taajuuksille ja kvanttiheterodyne (Qdyne) -kuvantamista MHz-taajuuksille – he toteuttivat laaja-alaisen vaihtovirran magneettikenttäkuvantamisen.

Tutkimustyö tehtiin yhteistyössä Harvardin yliopiston ja Hitachi, Ltd:n kanssa. Tutkijat suorittivat periaatetodisteena laajan taajuusalueen magneettikentän kuvantamisen kokeen syöttämällä vaihtovirtaa 50-kierroksiseen kelaan ja pyyhkäisemällä taajuutta 100 Hz:stä 200 kHz:iin Qurack-kelan tapauksessa ja 237 kHz:stä 2,34 MHz:iin Qdyne-kelan tapauksessa.

Kuten odotettua, tasaisen AC-ampeerimagneettikentän amplitudi ja vaihe kuvattiin käyttämällä korkean spatiaalisen resoluution (2–5 µm) NV-keskuksia, mikä validoi molemmat mittausprotokollat.

Tämän innovatiivisen kuvantamisjärjestelmän avulla tiimi pystyi samanaikaisesti kartoittamaan korkeataajuusinduktoreille kehitettyjen CoFeB–SiO2 -ohutkalvojen hajamagneettikenttien amplitudin ja vaiheen.

Kaiken kaikkiaan tulokset osoittavat, kuinka kvanttianturia voidaan käyttää korkeammilla taajuuksilla toimivien pehmeiden magneettisten materiaalien analysointiin, mitä pidetään merkittävänä haasteena erittäin tehokkaiden elektronisten järjestelmien kehittämisessä.

Erityisesti alueseinän liikkeen ratkaiseminen, joka on yksi energiahäviöihin vahvasti liittyvistä magnetisaatiomekanismeista, on keskeinen askel, joka johtaa tärkeisiin käytännön edistysaskeliin ja optimointeihin elektroniikassa.

”Vaihtovirtamagneettikenttien amplitudin ja vaiheen samanaikainen kuvantaminen laajalla taajuusalueella tarjoaa lukuisia potentiaalisia sovelluksia tehoelektroniikassa, sähkömagneeteissa, pysyvässä muistissa ja spintroniikan teknologioissa”, Hatano huomauttaa. ”Tämä menestys edistää kvanttiteknologioiden kiihtymistä, erityisesti kestävän kehityksen tavoitteisiin ja hyvinvointiin liittyvillä aloilla.”

Aiheesta aiemmin:

Tehopiirien vianhakua akustisesti

Komplementaarista galliumnitridielektroniikkaa

Uutta puhtia piikarbidille