Diamond Quantum Imaging desbloqueia eletrônica de potência de última geração

Eletrônica de Potência INSIDER
Esses métodos para analisar ímãs suaves ajudarão a melhorar o desempenho da eletrônica de potência. (Imagem:Ciência Tóquio)
Melhorar a eficiência da conversão de energia na eletrônica de potência é vital para uma sociedade sustentável, com semicondutores de banda larga, como dispositivos de energia GaN e SiC, oferecendo vantagens devido às suas capacidades de alta frequência. Porém, as perdas de energia em componentes passivos em altas frequências prejudicam a eficiência e a miniaturização. Isto ressalta a necessidade de materiais magnéticos macios avançados com menores perdas de energia.

Em um estudo publicado em Materiais de Comunicação , uma equipe de pesquisa liderada pelo professor Mutsuko Hatano da Escola de Engenharia do Instituto de Ciências de Tóquio, Japão, desenvolveu um novo método para analisar essas perdas, criando imagens simultâneas da amplitude e da fase dos campos parasitas de corrente alternada (CA), que é a chave para a compreensão das perdas por histerese. O estudo foi realizado em colaboração com a Universidade de Harvard e a Hitachi, Ltd.

Usando um sensor quântico de diamante com centros de vacância de nitrogênio (NV) e desenvolvendo dois protocolos – rastreamento de frequência qubit (Qurack) para kHz e imagem heteródina quântica (Qdyne) para frequências de MHz – eles alcançaram imagens de campo magnético AC de amplo alcance.

Os pesquisadores conduziram um experimento de prova de princípio de imagem de campo magnético de ampla faixa de frequência, aplicando uma corrente CA a uma bobina de 50 voltas e varrendo a frequência de 100 Hz a 200 kHz para Qurack e de 237 kHz a 2,34 MHz para Qdyne. Como esperado, a amplitude e a fase do campo magnético AC Ampere uniforme foram visualizadas usando centros NV com alta resolução espacial (2–5 µm), validando ambos os protocolos de medição.

Usando este sistema de imagem inovador, a equipe conseguiu mapear simultaneamente a amplitude e a fase dos campos magnéticos dispersos dos filmes finos de CoFeB – SiO2, que foram desenvolvidos para indutores de alta frequência. Suas descobertas revelaram que esses filmes exibem atraso de fase quase zero até 2,3 MHz, indicando perdas de energia insignificantes ao longo do eixo rígido. Além disso, observaram que a perda de energia depende da anisotropia magnética do material – quando a magnetização é conduzida ao longo do eixo fácil, o atraso de fase aumenta com a frequência, significando maior dissipação de energia.

No geral, os resultados mostram como a detecção quântica pode ser usada para analisar materiais magnéticos moles operando em frequências mais altas, o que é considerado um grande desafio no desenvolvimento de sistemas eletrônicos altamente eficientes. Notavelmente, a capacidade de resolver o movimento da parede do domínio, um dos mecanismos de magnetização fortemente relacionados às perdas de energia, é um passo fundamental, levando a importantes avanços práticos e otimizações na eletrônica.

Olhando para o futuro, os pesquisadores esperam melhorar ainda mais as técnicas propostas de várias maneiras. “As técnicas Qurack e Qdyne usadas neste estudo podem ser aprimoradas por algumas melhorias de engenharia”, disse Hatano. "O desempenho do Qurack pode ser aprimorado com a adoção de geradores de sinal de alto desempenho para estender sua faixa de amplitude, enquanto a otimização do tempo de coerência de spin e da velocidade de controle de microondas ampliaria a faixa de detecção de frequência do Qdyne."

"A imagem simultânea da amplitude e da fase dos campos magnéticos CA em uma ampla faixa de frequência oferece inúmeras aplicações potenciais em eletrônica de potência, eletroímãs, memória não volátil e tecnologias spintrônica", disse Hatano. “Isto contribui para a aceleração das tecnologias quânticas, particularmente em setores relacionados com objetivos de desenvolvimento sustentável.”

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