金刚石量子传感器可用于分析电力电子学中使用的软磁材料的磁化响应;报告科学家基于合作研究。他们使用一种新颖的成像技术开发了量子协议，可以在高达 2.3 MHz 的宽频率范围内同时对交流杂散场的振幅和相位进行成像。他们的结果表明，量子传感是在各种应用中开发先进磁性材料的强大工具。

使用金刚石量子传感器对软磁薄膜的交流磁化响应进行成像

Kitagawa 等人。（2025 年） |通讯资料 |10.1038/s43246-025-00812-4

提高电力电子器件的能量转换效率对于可持续发展的社会至关重要，GaN 和 SiC 功率器件等宽带隙半导体因其高频能力而具有优势。然而，高频下无源元件的能量损失会阻碍效率和小型化。这凸显了对具有较低能量损失的先进软磁材料的需求。

在最近发表在通讯资料由日本东京理科研究所工程学院 Mutsuko Hatano 教授领导的研究团队开发了一种分析此类损耗的新方法，该方法通过同时对交流 （AC） 杂散场的振幅和相位进行成像，这是了解磁滞损耗的关键。使用具有氮空位 （NV） 中心的金刚石量子传感器并开发两种协议——用于 kHz 的量子比特频率跟踪 （Qurack） 和用于 MHz 频率的量子外差成像——他们实现了宽范围交流磁场成像。这项研究是与哈佛大学和日立有限公司合作进行的。

研究人员通过向 50 匝线圈施加交流电流，并将 Qurack 的频率从 100 Hz 扫描到 200 kHz，Qdyne 的频率从 237 kHz 扫描到 2.34 MHz，进行了原理验证的宽频范围磁场成像实验。正如预期的那样，均匀交流安培磁场的振幅和相位使用具有高空间分辨率 （2–5 μm） 的 NV 中心进行成像，验证了两种测量协议。

使用这种创新的成像系统，该团队可以同时绘制 CoFeB-SiO2 薄膜杂散磁场的振幅和相位，这些薄膜是为高频电感器开发的。他们的研究结果表明，这些薄膜在高达 2.3 MHz 时表现出接近零的相位延迟，这表明沿硬轴的能量损失可以忽略不计。此外，他们还观察到能量损失取决于材料的磁各向异性——当磁化沿 easy 轴驱动时，相位延迟随着频率的增加而增加，这意味着能量耗散更高。

总体而言，结果展示了如何使用量子传感来分析在更高频率下运行的软磁材料，这被认为是开发高效电子系统的主要挑战。值得注意的是，解析域壁运动的能力（与能量损失密切相关的磁化机制之一）是一个关键步骤，导致了电子学的重要实际进步和优化。

展望未来，研究人员希望以各种方式进一步改进所提出的技术。“本研究中使用的 Qurack 和 Qdyne 技术可以通过工程改进来增强，”Hatano 说。“通过采用高性能信号发生器来扩展其幅度范围，可以提高 Qurack 的性能，而优化自旋相干时间和微波控制速度将拓宽 Qdyne 的频率检测范围。”

“在宽频率范围内同时对交流磁场的振幅和相位进行成像，在电力电子、电磁体、非易失性存储器和自旋电子学技术中提供了许多潜在的应用，”Hatano 评论道。“这一成功有助于加速量子技术的发展，特别是在与可持续发展目标和福祉相关的领域。”