Imagem Quântica com Diamante Desbloqueia Eletrônica de Potência de Próxima Geração

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 potência GaN e SiC oferecendo vantagens devido às suas capacidades de alta frequência. No entanto, perdas de energia em componentes passivos em altas frequências prejudicam a eficiência e a miniaturização. Isso ressalta a necessidade de materiais magnéticos suaves avançados com menores perdas de energia.

Em um estudo publicado na Communications Materials, uma equipe de pesquisa liderada pela professora Mutsuko Hatano, da Escola de Engenharia do Instituto de Ciência de Tóquio, no Japão, desenvolveu um novo método para analisar tais perdas através da imagem simultânea da amplitude e fase de campos dispersos de corrente alternada (CA), o que é fundamental para entender perdas por histerese. O estudo foi realizado em colaboração com a Universidade de Harvard e a Hitachi, Ltd.

Utilizando um sensor quântico de diamante com centros de nitrogênio-vacância (NV) e desenvolvendo dois protocolos — rastreamento de frequência de qubit (Qurack) para kHz e imagem de heterodina quântica (Qdyne) para frequências MHz — eles obtiveram imagem de campo magnético CA em ampla faixa de frequência.

Os pesquisadores realizaram um experimento de prova de conceito de imagem de campo magnético em ampla faixa de frequência aplicando uma corrente CA a uma bobina de 50 espiras 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 Ampere CA uniforme foram imageadas usando centros NV com alta resolução espacial (2–5 µm), validando ambos os protocolos de medição.

Usando este sistema inovador de imagem, a equipe pôde mapear simultaneamente a amplitude e a fase de campos magnéticos dispersos de filmes finos de CoFeB-SiO2, desenvolvidos para indutores de alta frequência. Suas descobertas revelaram que esses filmes exibem atraso de fase próximo de zero até 2,3 MHz, indicando perdas de energia desprezíveis ao longo do eixo duro. Além disso, observaram que a perda de energia depende da anisotropia magnética do material — quando a magnetização é impulsionada 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 suaves operando em frequências mais altas, considerado um grande desafio no desenvolvimento de sistemas eletrônicos altamente eficientes. Notavelmente, a capacidade de resolver o movimento de paredes de domínio, um dos mecanismos de magnetização fortemente relacionado a perdas de energia, é um passo crucial, levando a importantes avanços práticos e otimizações na eletrônica.

Olhando para o futuro, os pesquisadores esperam aprimorar 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 melhorado adotando 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 micro-ondas ampliaría a faixa de detecção de frequência do Qdyne."

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