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
499 sản phẩm của 227 doanh nghiệp đạt Thương hiệu quốc gia Việt Nam 2026

499 sản phẩm của 227 doanh nghiệp đạt Thương hiệu quốc gia Việt Nam 2026

Bộ Công Thương công nhận 499 sản phẩm của 227 doanh nghiệp đạt Thương hiệu quốc gia Việt Nam năm 2026. Đây là kỳ xét chọn lần thứ 10, trong đó lần đầu tiên áp dụng các quy định mới về Chương trình Thương hiệu quốc gia Việt Nam.
Dự báo lợi nhuận doanh nghiệp bất động sản nhà ở quý III/2026: Vinhome tăng trưởng vượt trội

Dự báo lợi nhuận doanh nghiệp bất động sản nhà ở quý III/2026: Vinhome tăng trưởng vượt trội

Trong nhóm 5 doanh nghiệp bất động sản nhà ở được đánh giá, Vinhomes có mức dự báo tăng trưởng lợi nhuận cao nhất đạt 243%, tương ứng lợi nhuận sau thuế đạt hơn 15.200 tỷ đồng.
Thị trường chứng khoán ngày 29/9: VN-Index giảm nhẹ, dòng tiền tìm đến dầu khí và cao su

Thị trường chứng khoán ngày 29/9: VN-Index giảm nhẹ, dòng tiền tìm đến dầu khí và cao su

Thị trường chứng khoán ngày 29/9, VN-Index tiếp tục rung lắc mạnh khi áp lực bán gia tăng tại nhiều nhóm cổ phiếu, trong khi thanh khoản trên HoSE xuống mức thấp trong nhiều tháng. Dòng tiền có xu hướng thu hẹp và phân hóa, tập trung vào nhóm dầu khí, cao su và một số cổ phiếu riêng lẻ.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Ngọ nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Ngọ nên tránh nóng vội

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 30/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Ngân hàng MB chuyển giao toàn bộ vốn tại Bảo hiểm AAA sang MB Capital

Ngân hàng MB chuyển giao toàn bộ vốn tại Bảo hiểm AAA sang MB Capital

MB Capital là công ty quản lý quỹ thuộc hệ sinh thái MB, tính đến ngày 30/6/2026, ngân hàng MB nắm 90,77% vốn tại doanh nghiệp này.
Nhà trường - doanh nghiệp: Cùng đào tạo nhân lực công nghệ

Nhà trường - doanh nghiệp: Cùng đào tạo nhân lực công nghệ

Diễn đàn hợp tác Nhà trường - Doanh nghiệp 2026 đặt ra một vấn đề cấp thiết trong kỷ nguyên AI: doanh nghiệp không chỉ cần thêm nhân lực, mà cần nhân lực có thể thích ứng với công nghệ, giải quyết vấn đề và tạo ra giá trị trong môi trường làm việc thực tế.
Chi phí cao của dữ liệu không chính xác trong tự động hóa xử lý nước thải

Chi phí cao của dữ liệu không chính xác trong tự động hóa xử lý nước thải

Các đô thị đang đẩy mạnh phân tích dữ liệu, tự động hóa và mô hình song sinh kỹ thuật số nhằm dự báo nguy cơ tràn, tối ưu dòng chảy nước mưa và quản lý mạng lưới thu gom nước. Tuy nhiên, độ chính xác của những hệ thống này phụ thuộc trực tiếp vào dữ liệu từ các cảm biến hiện trường. Một phép đo sai có thể kéo theo phân tích sai, làm giảm giá trị của cả hệ thống tự động hóa.
Tủ đổi pin 30 khoang tại TP.HCM: Bước đi mới của mô hình xe điện thông minh

Tủ đổi pin 30 khoang tại TP.HCM: Bước đi mới của mô hình xe điện thông minh

Việt Nam hiện là một trong những thị trường xe máy điện lớn nhất thế giới, đứng thứ ba về doanh số theo dữ liệu của Motorcycles Data, trở thành điểm đến thu hút nhiều thương hiệu quốc tế.
Nhận định phiên giao dịch ngày 29/9: Thận trọng, kiên nhẫn chờ tín hiệu tích cực rõ ràng hơn

Nhận định phiên giao dịch ngày 29/9: Thận trọng, kiên nhẫn chờ tín hiệu tích cực rõ ràng hơn

Sau phiên giảm điểm ngày 28/9, VN-Index vẫn duy trì được vùng hỗ trợ quan trọng dù áp lực bán trên diện rộng. Thanh khoản cải thiện tại vùng hỗ trợ cho thấy lực cầu chủ động đã xuất hiện, song chưa đủ để xác nhận khả năng đảo chiều. Trong bối cảnh xu hướng chưa rõ ràng, nhà đầu tư được khuyến nghị tiếp tục thận trọng và kiên nhẫn chờ tín hiệu tích cực rõ nét hơn.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/9/2026: Tuổi Mão vận trình khởi sắc, tuổi Thìn nên thận trọng tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/9/2026: Tuổi Mão vận trình khởi sắc, tuổi Thìn nên thận trọng tiền bạc

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 29/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.