L'imagerie quantique diamant débloque l'électronique de puissance de nouvelle génération

L'amélioration de l'efficacité de conversion d'énergie dans l'électronique de puissance est cruciale pour une société durable. Les semiconducteurs à large bande interdite comme le GaN et le SiC offrent des avantages grâce à leurs capacités haute fréquence. Cependant, les pertes d'énergie dans les composants passifs à haute fréquence entravent l'efficacité et la miniaturisation, soulignant le besoin de matériaux magnétiques doux avancés avec des pertes plus faibles.

Une méthode d'analyse révolutionnaire

Dans une étude publiée dans Communications Materials, une équipe dirigée par le professeur Mutsuko Hatano de l'Institute of Science Tokyo a développé une méthode novatrice pour analyser ces pertes en imagerie simultanée de l'amplitude et de la phase des champs parasites alternatifs (AC), clé pour comprendre les pertes par hystérésis. L'étude a été réalisée en collaboration avec l'Université Harvard et Hitachi Ltd.

Capteurs quantiques à centres NV

En utilisant un capteur quantique diamant avec des centres azote-vacance (NV) et en développant deux protocoles — le suivi de fréquence de qubit (Qurack) pour les kHz et l'imagerie hétérodyne quantique (Qdyne) pour les MHz — ils ont atteint une imagerie de champ magnétique AC sur une large gamme de fréquences.

Validation expérimentale

Les chercheurs ont mené une expérience de preuve de concept en appliquant un courant AC à une bobine de 50 spires, balayant de 100 Hz à 200 kHz pour Qurack et de 237 kHz à 2,34 MHz pour Qdyne. L'amplitude et la phase du champ magnétique d'Ampère uniforme ont été imageries avec une résolution spatiale élevée (2–5 µm), validant les deux protocoles.

Analyse de films minces CoFeB–SiO₂

Grâce à ce système d'imagerie innovant, l'équipe a pu cartographier simultanément l'amplitude et la phase des champs parasites magnétiques provenant de films minces CoFeB–SiO₂ développés pour des inductances haute fréquence. Leurs résultats révèlent que ces films présentent un retard de phase proche de zéro jusqu'à 2,3 MHz, indiquant des pertes d'énergie négligeables le long de l'axe dur. En revanche, lorsque l'aimantation est entraînée le long de l'axe facile, le retard de phase augmente avec la fréquence, signifiant une dissipation d'énergie plus élevée.

Perspectives et applications

Ces résultats montrent comment la détection quantique peut analyser les matériaux magnétiques doux à haute fréquence, un défi majeur pour développer des systèmes électroniques hautement efficaces. La capacité à résoudre le mouvement des parois de domaines, l'un des mécanismes d'aimantation fortement lié aux pertes d'énergie, constitue une étape cruciale vers des avancées pratiques en électronique.

Les chercheurs espèrent améliorer ces techniques : « Qurack peut être amélioré avec des générateurs de signaux haute performance pour étendre sa plage d'amplitude, tandis qu'optimiser le temps de cohérence du spin et la vitesse de contrôle micro-ondes élargirait la plage de détection de fréquence de Qdyne », explique Hatano.

« L'imagerie simultanée de l'amplitude et de la phase des champs magnétiques AC sur une large gamme de fréquences offre de nombreuses applications potentielles dans l'électronique de puissance, les électroaimants, la mémoire non-volatile et les technologies spintroniques », ajoute Hatano. « Cela contribue à l'accélération des technologies quantiques, particulièrement dans les secteurs liés aux objectifs de développement durable. »