Diamond Quantum Imaging Membuka Power Electronics Generasi Berikutnya
INSIDER Elektronika Daya
Metode analisis magnet lunak ini akan membantu meningkatkan kinerja elektronika daya. (Gambar:Sains Tokyo)
Meningkatkan efisiensi konversi energi dalam elektronika daya sangat penting bagi masyarakat yang berkelanjutan, dengan semikonduktor dengan celah pita lebar seperti perangkat daya GaN dan SiC menawarkan keunggulan karena kemampuan frekuensi tinggi mereka. Namun, kehilangan energi pada komponen pasif pada frekuensi tinggi menghambat efisiensi dan miniaturisasi. Hal ini menggarisbawahi perlunya material magnet lunak canggih dengan kehilangan energi yang lebih rendah.
Dalam sebuah penelitian yang dipublikasikan di Materi Komunikasi , tim peneliti yang dipimpin oleh Profesor Mutsuko Hatano dari Fakultas Teknik, Institut Sains, Tokyo, Jepang, telah mengembangkan metode baru untuk menganalisis kerugian tersebut dengan secara bersamaan menggambarkan amplitudo dan fase medan arus bolak-balik (AC), yang merupakan kunci untuk memahami kerugian histeresis. Penelitian ini dilakukan bekerja sama dengan Universitas Harvard dan Hitachi, Ltd.
Dengan menggunakan sensor kuantum berlian dengan pusat kekosongan nitrogen (NV) dan mengembangkan dua protokol — pelacakan frekuensi qubit (Qurack) untuk kHz dan pencitraan kuantum heterodyne (Qdyne) untuk frekuensi MHz — mereka mencapai pencitraan medan magnet AC jangkauan luas.
Para peneliti melakukan percobaan pencitraan medan magnet rentang frekuensi lebar yang membuktikan prinsip dengan menerapkan arus AC ke kumparan 50 putaran dan menggeser frekuensi dari 100 Hz ke 200 kHz untuk Qurack dan 237 kHz ke 2,34 MHz untuk Qdyne. Seperti yang diharapkan, amplitudo dan fase medan magnet AC Ampere yang seragam dicitrakan menggunakan pusat NV dengan resolusi spasial tinggi (2–5 µm), yang memvalidasi kedua protokol pengukuran.
Dengan menggunakan sistem pencitraan inovatif ini, tim dapat secara bersamaan memetakan amplitudo dan fase medan magnet menyimpang dari film tipis CoFeB-SiO2, yang telah dikembangkan untuk induktor frekuensi tinggi. Temuan mereka mengungkapkan bahwa film-film ini menunjukkan penundaan fase mendekati nol hingga 2,3 MHz, yang menunjukkan kehilangan energi yang dapat diabaikan di sepanjang sumbu keras. Selain itu, mereka mengamati bahwa kehilangan energi bergantung pada anisotropi magnetik material — ketika magnetisasi didorong sepanjang sumbu mudah, penundaan fase meningkat seiring dengan frekuensi, yang menandakan disipasi energi yang lebih tinggi.
Secara keseluruhan, hasil penelitian menunjukkan bagaimana penginderaan kuantum dapat digunakan untuk menganalisis bahan magnetik lunak yang beroperasi pada frekuensi lebih tinggi, yang dianggap sebagai tantangan besar dalam mengembangkan sistem elektronik yang sangat efisien. Khususnya, kapasitas untuk mengatasi pergerakan dinding domain, salah satu mekanisme magnetisasi yang sangat terkait dengan hilangnya energi, merupakan langkah penting yang mengarah pada kemajuan praktis dan optimalisasi penting dalam bidang elektronik.
Ke depan, para peneliti berharap untuk lebih meningkatkan teknik yang diusulkan dalam berbagai cara. “Teknik Qurack dan Qdyne yang digunakan dalam penelitian ini dapat ditingkatkan dengan beberapa perbaikan teknik,” kata Hatano. "Kinerja Qurack dapat ditingkatkan dengan mengadopsi generator sinyal berkinerja tinggi untuk memperluas jangkauan amplitudonya, sedangkan mengoptimalkan waktu koherensi putaran dan kecepatan kontrol gelombang mikro akan memperluas jangkauan deteksi frekuensi Qdyne."
“Pencitraan simultan dari amplitudo dan fase medan magnet AC pada rentang frekuensi yang luas menawarkan banyak aplikasi potensial dalam elektronika daya, elektromagnet, memori non-volatil, dan teknologi spintronik,” kata Hatano. "Hal ini berkontribusi terhadap percepatan teknologi kuantum, khususnya di sektor yang terkait dengan tujuan pembangunan berkelanjutan."
Sumber
