ダイヤモンド量子センサーで「パワエレの高効率化」図る：交流磁気特性を数MHzまで可視化

東京科学大学とハーバード大学の研究チームは、ダイヤモンド量子センサーを用い、広い周波数帯域で交流磁気特性を可視化することに成功した。同時に、交流磁場の振幅と位相を可視化する手法を確立した。これらの成果を活用すれば、パワーエレクトロニクス機器の高効率動作が可能となる。

[馬本隆綱，EE Times Japan]

パワーエレクトロニクス機器の高効率動作を可能に

　東京科学大学とハーバード大学の研究チームは2025年5月、ダイヤモンド量子センサーを用い、広い周波数帯域で交流磁気特性を可視化することに成功したと発表した。同時に、交流磁場の振幅と位相を可視化する手法を確立した。これらの成果を活用すれば、パワーエレクトロニクス機器の高効率動作が可能となる。

　パワーエレクトロニクス分野では、動作周波数の高周波化が進む。ここで重要となるのが軟磁性材料の低損失化である。ところが、新たな磁性材料を開発する時に、従来の測定方法だと高周波域における磁気特性をイメージすることが極めて難しかった。

　そこで研究チームは、ダイヤモンド量子センサーを応用し、メガヘルツ（MHz）帯までの高周波帯域を測定できる新たな手法を開発することにした。具体的には、キロヘルツ（kHz）帯とMHz帯で異なる量子計測手法を組み合わせることで、数MHzまでの周波数範囲で磁場をイメージングすることが可能となった。

　実験では、ダイヤモンド中に形成した膜厚数マイクロメートルのNVセンター層が局所的な磁気センサーとして動作する装置構成を考えた。NVセンターが発する赤色蛍光をカメラで撮影し、磁場をイメージングする。特に今回は、量子操作に用いるマイクロ波の照射方法を工夫し、高周波帯域でのイメージングを試みた。

　そして、kHz帯域を得意とする「Qurack法」とMHz帯域を得意とする「Qdyne法」を組み合わせることによって、kHz〜MHz帯における交流磁場の周波数を、カメラで追従可能な帯域までダウンコンバートできる技術を開発した。

ダイヤモンド量子センサーを用いた交流磁気特性の可視化［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

　動作実証の結果、100Hzから2.34MHzまでの広い周波数帯において、狙った通りの出力が得られたという。また、中川研究室が開発した高周波インダクター用のCoFeB-SiO₂薄膜を用い、磁性体の交流磁気特性を測定した。

　この試料には、高周波動作によるエネルギー損失を抑えるため、面内の磁気特性の非対称性（一軸磁気異方性）が付与されている。このため、面内のある方向と90度回転させた方向に磁界を加えると、全く異なる特性を示すことがあるという。

　実際に、ある方向（困難軸方向）に磁界を加えると、100Hzから2.3MHzまでほぼ同じような傾向を示した。ところが、90度回転させた方向（容易軸方向）では、周波数の増加に伴って位相が遅れた。前者は「周波数に対して軟磁性材料中のエネルギー損失が一定」であり、後者は「エネルギー損失が増加する」ことを示したものだという。

左は実験系の構成、右上は100Hzおよび2.34GHzの交流磁場画像、右下は交流磁場の振幅および位相の周波数依存性［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

軟磁性材料の交流磁気特性のイメージング。上図は磁性体の困難軸方向に対して外部磁場を印加した場合。下図は磁性体の容易軸方向に対して外部磁場を印加した場合［クリックで拡大］ 出所：東京科学大学

　研究チームは今後、開発した手法を用いて、より高周波帯域における測定精度の向上や空間分解能の強化を図っていく。さらに、磁壁ダイナミクスの直接観察や新規合金材料への応用などに取り組む計画である。

　今回の研究成果は、東京科学大学工学院電気電子系の北川涼太博士（現在は富士通）や波多野睦子教授、岩崎孝之教授、中川茂樹教授および、ハーバード大学物理学科のAmir Yacoby教授らによるものである。