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
[E-Magazine] Từ ASIMO đến Optimus: Hành trình đánh thức những cỗ máy hình người

[E-Magazine] Từ ASIMO đến Optimus: Hành trình đánh thức những cỗ máy hình người

Hơn nửa thế kỷ kể từ những bước đi đầu tiên của robot hình người, các cỗ máy mang hình hài con người đang dần rời phòng thí nghiệm để tham gia lao động trong nhà máy, kho hàng. Phía sau bước chuyển ấy là hành trình chinh phục những giới hạn của cơ khí, điều khiển học và trí tuệ nhân tạo, mở ra triển vọng mới về một thế hệ robot có khả năng học hỏi và làm việc.
Bộ đôi xe điện Volvo EX90 và ES90 ra mắt Việt Nam có điểm gì đặc biệt?

Bộ đôi xe điện Volvo EX90 và ES90 ra mắt Việt Nam có điểm gì đặc biệt?

Nhờ kiến trúc thuần điện 800V và bộ vi xử lý AI đạt 254 TOPS, bộ đôi Volvo EX90 và ES90 chính thức xác lập chuẩn mực tự động hóa và an toàn mới tại Việt Nam.
Nhận định phiên giao dịch ngày 9/11: Hạ tỷ trọng nếu chỉ số đóng cửa dưới mốc 1.700 điểm

Nhận định phiên giao dịch ngày 9/11: Hạ tỷ trọng nếu chỉ số đóng cửa dưới mốc 1.700 điểm

VN-Index đang đối mặt với áp lực điều chỉnh khi các chỉ báo kỹ thuật chưa xác nhận tín hiệu hồi phục rõ ràng. Trong ngắn hạn, chỉ số có thể tiếp tục rung lắc trong vùng 1.720-1.780 điểm, đồng thời kiểm định lại vùng hỗ trợ 1.700-1.720 điểm. Nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên quản trị rủi ro, hạn chế mua đuổi và cân nhắc hạ tỷ trọng nếu VN-Index đóng cửa dưới mốc 1.700 điểm.
PV GAS định hướng nhiệm vụ trọng tâm, chuẩn bị kế hoạch năm 2027

PV GAS định hướng nhiệm vụ trọng tâm, chuẩn bị kế hoạch năm 2027

Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) đang tập trung rà soát kết quả sản xuất kinh doanh năm 2026, đồng thời xác định các nhiệm vụ trọng tâm cho năm 2027.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 09/11/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 09/11/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ cần thận trọng

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 09/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Robot dẫn chương trình tin tức hình người sinh học đầu tiên trên thế giới

Robot dẫn chương trình tin tức hình người sinh học đầu tiên trên thế giới

Tân Hoa Xã ngày 5/11 công bố hai robot hình người dẫn chương trình tin tức tại Diễn đàn Trí tuệ nhân tạo và Hiện đại hóa kiểu Trung Quốc, thuộc khuôn khổ Hội nghị Thượng đỉnh Truyền thông Thế giới lần thứ 7 diễn ra ở Bắc Kinh.
Cảnh báo đỏ từ những vụ tin tặc tấn công hệ thống làm lạnh quy mô lớn

Cảnh báo đỏ từ những vụ tin tặc tấn công hệ thống làm lạnh quy mô lớn

Các cuộc tấn công mạng liên tiếp nhằm vào hệ thống làm lạnh tại siêu thị, kho lạnh và cả cơ sở bảo quản máu ở nhiều nước châu Âu đang gióng lên hồi chuông cảnh báo về an ninh của các hệ thống điều khiển công nghiệp. Không chỉ khiến thực phẩm hư hỏng, gián đoạn chuỗi cung ứng, việc tin tặc can thiệp vào thiết bị kiểm soát nhiệt độ còn có thể đe dọa an toàn của các chế phẩm máu, thuốc và vật tư y tế.
Lưu lượng kế khí siêu âm: Thách thức đo lường trong môi trường khí pha trộn hydro

Lưu lượng kế khí siêu âm: Thách thức đo lường trong môi trường khí pha trộn hydro

Lưu lượng kế khí siêu âm đa đường (USM) từ lâu được sử dụng rộng rãi trong đo lường và chuyển giao quyền sở hữu khí tự nhiên nhờ không có bộ phận chuyển động, tổn thất áp suất thấp, dải đo rộng và nguyên lý đo thời gian truyền. Tuy nhiên, xu hướng sản xuất hydro, pha trộn hydro vào khí tự nhiên và sử dụng các loại nhiên liệu sạch đang đặt ra những thách thức mới đối với công nghệ này.
Chuẩn hóa hạ tầng sạc xe điện: Yêu cầu đồng bộ từ quy chuẩn đến thực tiễn

Chuẩn hóa hạ tầng sạc xe điện: Yêu cầu đồng bộ từ quy chuẩn đến thực tiễn

Phát triển hạ tầng sạc xe điện trên các tuyến cao tốc đang đặt ra yêu cầu đồng bộ về quy mô đầu tư, nguồn điện, an toàn kỹ thuật và khả năng tương thích. Hoàn thiện quy chuẩn và tháo gỡ những vướng mắc trong triển khai là điều kiện quan trọng để hình thành mạng lưới sạc đáp ứng nhu cầu chuyển đổi xanh của giao thông đường bộ.
Khơi dậy, phát triển tư duy sáng tạo cho giới trẻ qua cuộc thi điều khiển UAV Drone

Khơi dậy, phát triển tư duy sáng tạo cho giới trẻ qua cuộc thi điều khiển UAV Drone

Trong hai ngày 6 và 7/11/2026, tại Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh phối hợp với Thành Đoàn TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) và Công ty TNHH MTV HDFPV tổ chức vòng chung kết và trao giải Cuộc thi Sáng tạo và Điều khiển UAV Drone dành cho thanh thiếu niên TP. Hồ Chí Minh năm 2026.
master