Diamant-Quantenbildgebung ebnet Weg für nächste Generation der Leistungselektronik

Quantensensoren analysieren Weichmagnete für effizientere Leistungselektronik

Die Steigerung der Energieumwandlungseffizienz in der Leistungselektronik ist entscheidend für eine nachhaltige Gesellschaft. Breitband-Halbleiter wie GaN und SiC bieten aufgrund ihrer Hochfrequenzfähigkeit Vorteile. Doch Energieverluste in passiven Bauelementen bei hohen Frequenzen bremsen Effizienz und Miniaturisierung aus. Deshalb sind fortschrittliche Weichmagnetwerkstoffe mit geringeren Verlusten gefragt.

Neues Verfahren zur simultanen Abbildung von Amplitude und Phase

Ein Forschungsteam unter Leitung von Professor Mutsuko Hatano von der School of Engineering, Institute of Science, Tokyo, hat in Communications Materials eine neuartige Methode vorgestellt: Mithilfe von Diamant-Quantenmessern mit Stickstoff-Fehlstellen (NV-Zentren) lassen sich Amplitude und Phase von AC-Streufeldern gleichzeitig abbilden – der Schlüssel zum Verständnis von Hystereserverlusten. Die Studie entstand in Zusammenarbeit mit der Harvard University und Hitachi, Ltd.

Zwei Protokolle für breiten Frequenzbereich

Die Forscher entwickelten zwei Protokolle: Qubit Frequency Tracking (Qurack) für den kHz-Bereich und Quantum Heterodyne (Qdyne) Imaging für MHz-Frequenzen. Damit gelang die breitbandige AC-Magnetfeldbildgebung.

Proof-of-Principle-Experiment

In einem Experiment wurde ein 50-Windungen-Spule mit Wechselstrom beaufschlagt und die Frequenz von 100 Hz bis 200 kHz (Qurack) bzw. 237 kHz bis 2,34 MHz (Qdyne) variiert. Wie erwartet wurden Amplitude und Phase des homogenen AC-Ampère-Feldes mit hoher räumlicher Auflösung (2–5 µm) abgebildet – beide Protokolle wurden damit validiert.

Analyse von CoFeB–SiO₂-Dünnschichten

Mit dem neuen Bildgebungssystem kartierten die Forscher simultan Amplitude und Phase der Streufelder von CoFeB–SiO₂-Dünnschichten, die für Hochfrequenz-Induktoren entwickelt wurden. Die Filme zeigten bis 2,3 MHz eine nahezu null Phasenverzögerung entlang der harten Achse – ein Hinweis auf vernachlässigbare Energieverluste. Entlang der leichten Achse stieg die Phasenverzögerung mit der Frequenz an, was auf höhere Energieverluste hindeutet. Der Energieverlust hängt also stark von der magnetischen Anisotropie des Materials ab.

Ausblick: Domänenwandbewegung auflösen

Die Ergebnisse demonstrieren, wie Quantensensing Weichmagnete bei hohen Frequenzen analysieren kann – eine große Herausforderung für hocheffiziente Elektroniksysteme. Die Fähigkeit, Domänenwandbewegungen aufzulösen (einen der Magnetisierungsmechanismen, die eng mit Energieverlusten verknüpft sind), ist ein entscheidender Schritt für praktische Fortschritte und Optimierungen.

Weiterentwicklung der Techniken

Professor Hatano sieht Potenzial für Verbesserungen: Qurack ließe sich durch leistungsfähigere Signalgeneratoren im Amplitudenbereich erweitern, Qdyne durch Optimierung der Spinkohärenzzeit und Mikrowellen-Steuergeschwindigkeit im Frequenzdetektionsbereich.

„Die simultane Abbildung von Amplitude und Phase von AC-Magnetfeldern über einen breiten Frequenzbereich bietet zahlreiche Anwendungen in Leistungselektronik, Elektromagneten, nicht-flüchtigen Speichern und Spintronik“, so Hatano. „Dies beschleunigt Quantentechnologien, insbesondere im Kontext der Nachhaltigkeitsziele.“