Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao

Công nghiệp - Năng lượng
11/03/2025 16:09
Khi thử nghiệm cảm biến bằng kỹ thuật cộng hưởng từ phát hiện quang học (ODMR), các nhà nghiên cứu phát hiện có thể đo dòng điện nhỏ tới 10 miliampe trong các khoảng thời gian khác nhau.
aa
Nghiên cứu và đánh giá mô hình tái chế rác thải từ pin năng lượng mặt trời [Infographic] Những ưu điểm của pin năng lượng mặt trời

Cảm biến đang sử dụng trên thị trường có nhiều hạn chế

Theo đó, khi hướng đến xe điện có phạm vi hoạt động xa hơn, sạc nhanh hơn và cải thiện độ an toàn, các nhà sản xuất cũng nhận thấy nhu cầu về công nghệ quản lý pin xe điện hiệu quả đang tăng lên. Các cảm biến hiện đang được sử dụng để theo dõi pin xe điện thường bị nóng và mất năng lượng, gặp khó khăn với độ chính xác thấp và đôi khi không phát hiện được những biến động nhỏ trong dòng điện của pin, dẫn đến việc quản lý năng lượng kém hiệu quả hơn.

Nghiên cứu chỉ ra, cảm biến lượng tử kim cương có thể khắc phục được những hạn chế nêu trên. Tuy nhiên, tinh thể kim cương được sử dụng cho các cảm biến này thường rất nhỏ, chỉ rộng vài milimét. Giới hạn kích thước xuất phát từ những khó khăn trong việc sản xuất các chất nền kim cương, dẫn đến hạn chế các cảm biến trong công nghiệp.

Để giải quyết vấn đề này, các nhà nghiên cứu Nhật Bản từ Viện Khoa học Tokyo (ISCT) đã tạo ra một chất nền kim cương diện tích lớn với các tâm khuyết nitơ (NV) trên một chất nền không phải kim cương. Thiết lập này hoạt động giống như một nền tảng hoàn hảo cho các cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao dành cho pin EV.

Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao
Cảm biến lượng tử kim cương có thể khắc phục được những hạn chế của cảm biến hiện đang sử dụng (Ảnh minh họa, Interesting Engineering)

Các nhà nghiên cứu đã sử dụng công nghệ tăng trưởng heteroepitaxial để phát triển nền tảng. Quá trình này bao gồm việc phát triển một lớp tinh thể trên một chất nền của một vật liệu khác, cho phép tích hợp các vật liệu khác nhau với các đặc tính khác nhau.

Có thể hình dung như việc đặt những viên gạch không cùng vật liệu trên một bề mặt, nhưng đảm bảo chúng được xếp thẳng hàng. Phương pháp này cho phép tích hợp các trung tâm NV trong mạng tinh thể kim cương. Các trung tâm này rất quan trọng để phát hiện những thay đổi tinh tế trong từ trường, đây là một chức năng rất hữu ích để theo dõi pin EV.

Để tạo ra nền tảng cảm biến lượng tử kim cương, trước tiên các nhà khoa học đã chọn một chất nền không phải kim cương tương thích với sự phát triển heteroepitaxial. Sau đó, bằng cách sử dụng lắng đọng hơi hóa học (CVD), họ lắng đọng các màng kim cương lên các chất nền. Điều này cho phép họ kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể của kim cương.

Tiếp theo, họ thêm một lớp kim cương nitơ-vacancy (NV) dày 150 micromet, cho phép cảm biến phát hiện những thay đổi từ tính nhỏ. Lớp này có thời gian liên kết spin (T2) là 20 micro giây, nghĩa là nó có thể duy trì thông tin lượng tử đủ lâu để đo chính xác.

Cuối cùng, họ căn chỉnh các tâm NV theo các hướng cụ thể trong mạng kim cương. Điều này dẫn đến nồng độ khuyết tật nitơ là tám phần triệu (ppm), đây là yếu tố chính trong hiệu suất cảm biến lượng tử .

Ngoài ra, để cải thiện độ chính xác, nhóm nghiên cứu đã thêm một cơ chế hiệu chỉnh độ nghiêng để điều chỉnh các sai lệch nhỏ trong tinh thể kim cương. Điều này đảm bảo cảm biến hoạt động tốt, giống như các cảm biến dựa trên kim cương truyền thống. Cảm biến lượng tử kim cương với các trung tâm NV hiện đã sẵn sàng để thử nghiệm.

Theo dõi pin EV với cảm biến lượng tử kim cương có độ nhạy cao
Sơ đồ cho thấy quá trình sản xuất cảm biến lượng tử kim cương (Nguồn ảnh: Kajiyama và cộng sự)

Cảm biến kim cương có thể đo các dòng điện nhỏ tới 10 miliampe

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm cảm biến bằng một kỹ thuật gọi là cộng hưởng từ phát hiện quang học (ODMR) trong một thiết lập dựa trên sợi quang. ODMR là một kỹ thuật được sử dụng để đo các từ trường nhỏ bằng ánh sáng và vi sóng. Nó hoạt động bằng cách phát hiện cách các khuyết tật đặc biệt trong vật liệu, như các trung tâm NV trong kim cương, phản ứng với từ trường.

Nhóm nghiên cứu đã đạt được khả năng phát hiện dòng điện có độ nhạy cao trong quá trình thử nghiệm ODMR. Cảm biến kim cương có thể đo các dòng điện nhỏ tới 10 miliampe trong các khoảng thời gian khác nhau, dao động từ 10 mili giây đến 100 giây.

Khi nói đến pin EV, hiệu suất và tuổi thọ của chúng phụ thuộc vào việc theo dõi chính xác cách dòng điện chảy vào và ra. Cảm biến lượng tử kim cương có thể phát hiện những biến động nhỏ trong dòng điện và giúp duy trì tình trạng pin ở mức tối ưu.

Mutsuko Hatano, giáo sư tại trường kỹ thuật ISCT, một trong những nhà nghiên cứu cho biết: "Khả năng đo dòng điện chính xác trong khi giảm thiểu nhiễu khiến cảm biến này trở thành ứng cử viên đầy hứa hẹn để giám sát hệ thống pin trong xe điện, nơi độ chính xác và độ tin cậy là tối quan trọng".

Nhóm nghiên cứu cũng lập kế hoạch tăng mật độ các trung tâm NV trong các cảm biến kim cương để có thể mang lại hiệu suất tốt hơn. Hy vọng, nghiên cứu hiện tại và tương lai sẽ sớm cho phép tích hợp công nghệ lượng tử đầy hứa hẹn này vào EV trên quy mô lớn.

Nguyên Ngọc (Theo Interesting Engineering)

Bài liên quan
tan-hoang-minh
Tin bài khác
PV GAS kiện toàn lãnh đạo, hướng tới giai đoạn tăng trưởng mới

PV GAS kiện toàn lãnh đạo, hướng tới giai đoạn tăng trưởng mới

Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) vừa kiện toàn các vị trí lãnh đạo chủ chốt nhiệm kỳ 2026-2031, trong đó ông Bùi Minh Tiến được bầu giữ chức Chủ tịch HĐQT và ông Dương Trí Hội được bổ nhiệm làm Tổng Giám đốc.
Thị trường chứng khoán ngày 15/9: Sắc xanh lan rộng, VN Index bật tăng gần 23 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 15/9: Sắc xanh lan rộng, VN Index bật tăng gần 23 điểm

Sau những phiên chịu sức ép, VN Index bất ngờ bật tăng gần 23 điểm và lấy lại mốc 1.800. Nhóm dầu khí có phiên bùng nổ kéo theo hàng loạt mã khác tăng tốt giúp sắc xanh phủ khắp bảng điện tử.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 16/9/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Tý nên thận trọng quyết định

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 16/9/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Tý nên thận trọng quyết định

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 16/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Ông Ngô Ngọc Quang được bầu làm Chủ tịch HĐQT PSI

Ông Ngô Ngọc Quang được bầu làm Chủ tịch HĐQT PSI

Ông Ngô Ngọc Quang, Thành viên HĐQT PVcomBank, đại diện cổ đông PVcomBank, vừa được bầu làm Chủ tịch HĐQT Công ty Cổ phần Chứng khoán Dầu khí (PSI) nhiệm kỳ 2022-2027.
Nhà máy “nói nhiều ngôn ngữ”: Vì sao nhiều doanh nghiệp Việt Nam chọn Kepware Server làm nền tảng kết nối OT-IT

Nhà máy “nói nhiều ngôn ngữ”: Vì sao nhiều doanh nghiệp Việt Nam chọn Kepware Server làm nền tảng kết nối OT-IT

Một nhà máy sản xuất tại Việt Nam điển hình hôm nay có thể vận hành PLC Siemens trên dây chuyền lắp ráp từ Đức, robot hàn Yaskawa từ Nhật Bản, dây chuyền đóng gói dùng bộ điều khiển Mitsubishi, và một khu vực mở rộng gần đây với thiết bị Omron hoặc Allen-Bradley.
Nhận định phiên giao dịch ngày 15/9: Ưu tiên quản trị rủi ro, không nên bắt đáy

Nhận định phiên giao dịch ngày 15/9: Ưu tiên quản trị rủi ro, không nên bắt đáy

Thị trường chứng khoán Việt Nam tiếp tục điều chỉnh trong phiên giao dịch ngày 14/9, với áp lực bán gia tăng, đặc biệt tại nhóm cổ phiếu vừa và nhỏ. Trong bối cảnh VN-Index lùi về các vùng hỗ trợ kỹ thuật quan trọng, nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên quản trị rủi ro và chưa nên vội bắt đáy các cổ phiếu đang suy yếu về giá.
Fortinet nằm trong nhóm dẫn đầu Gartner Magic Quadrant 2026 về năng lực cung cấp tường lửa

Fortinet nằm trong nhóm dẫn đầu Gartner Magic Quadrant 2026 về năng lực cung cấp tường lửa

Được Gartner lần thứ hai liên tiếp xếp vào nhóm “Leader”, Fortinet tiếp tục khẳng định năng lực cung cấp giải pháp tường lửa (Hybrid Mesh Firewall) cho các môi trường doanh nghiệp lai, kết hợp giữa mạng, bảo mật, điện toán đám mây và công nghệ AI.
Học sinh Hà Nội học cách sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm

Học sinh Hà Nội học cách sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm

Gần 1.000 học sinh Trường Tiểu học Lĩnh Nam, phường Lĩnh Nam, thành phố Hà Nội, được trang bị kiến thức và kỹ năng sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm, hiệu quả thông qua chương trình tuyên truyền do Cục Đổi mới sáng tạo, Chuyển đổi xanh và Khuyến công (Bộ Công Thương) tổ chức ngày 14/9.
Thị trường chứng khoán ngày 14/9: Cổ phiếu họ Gelex giảm sàn, nhóm dầu khí “ngược dòng”

Thị trường chứng khoán ngày 14/9: Cổ phiếu họ Gelex giảm sàn, nhóm dầu khí “ngược dòng”

VN Index tiếp tục giảm gần 7 điểm khi áp lực bán vẫn lan rộng trên thị trường. Dầu khí giữ vai trò điểm sáng hiếm hoi, trong khi chứng khoán, bất động sản và nhóm Gelex chịu sức ép mạnh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Mùi nên thận trọng công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Mùi nên thận trọng công việc

Những bí ẩn của khoa học đời sống là "món ăn" tinh thần không thể thiếu trong cuộc sống của con người. Tử vi vòng quay công nghệ xem tử vi 12 con giáp ngày 15/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.