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
ar
Tin bài khác
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/4/2026: Tuổi Thân cải thiện tâm trạng, tuổi Tý tránh lặp sai lầm

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/4/2026: Tuổi Thân cải thiện tâm trạng, tuổi Tý tránh lặp sai lầm

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 15/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
BSR chính thức trở thành Tổng Công ty Lọc hóa dầu Việt Nam

BSR chính thức trở thành Tổng Công ty Lọc hóa dầu Việt Nam

Công ty cổ phần Lọc hóa dầu Bình Sơn chính thức sẽ chuyển sang hoạt động dưới mô hình Tổng công ty.
Thị trường chứng khoán ngày 14/04: Nhóm thép bùng nổ, thị trường tiếp tục giữ nhịp hồi phục

Thị trường chứng khoán ngày 14/04: Nhóm thép bùng nổ, thị trường tiếp tục giữ nhịp hồi phục

Thị trường mở đầu đầy hứng khởi khi VN Index sớm vượt mốc 1.780 điểm, song đà tăng dần chững lại do dòng tiền vào thị trường chưa thực sự bùng nổ. Dù vậy, nhờ lực kéo bền bỉ từ nhóm trụ, đặc biệt là VIC và VHM, cùng sự bứt phá của cổ phiếu thép, chỉ số vẫn giữ được sắc xanh tích cực khi đóng cửa.
Hỗ trợ 1 tỷ đồng/năm cho nghiên cứu sinh xuất sắc làm chủ công nghệ lõi

Hỗ trợ 1 tỷ đồng/năm cho nghiên cứu sinh xuất sắc làm chủ công nghệ lõi

Bộ Khoa học và Công nghệ (KH&CN) vừa ban hành Quyết định 2103/QĐ-BKHCN chính thức Phê duyệt "Chương trình hỗ trợ nghiên cứu sinh xuất sắc giai đoạn 2026-2030" (Chương trình VREF), đánh dấu bước chuyển mạnh trong tư duy chính sách, từ hỗ trợ đào tạo sang đầu tư trực tiếp cho nghiên cứu xuất sắc, nhằm hình thành lực lượng khoa học trẻ có năng lực vượt trội, có khả năng nghiên cứu độc lập, nâng cao năng lực tự chủ công nghệ và sức cạnh tranh quốc gia.
Hành trình kết nối về nguồn cội của 329 học sinh tiểu học trên toàn quốc

Hành trình kết nối về nguồn cội của 329 học sinh tiểu học trên toàn quốc

Ngày 12/4/2026, tại Hà Nội, Lễ vinh danh và trao giải Trạng Nguyên Tiếng Việt dành cho học sinh tiểu học trên toàn quốc lần thứ 11 được tổ chức thành công.
Nhận định phiên giao dịch ngày 14/4: Chọn điểm mua tại nhịp xác nhận, hạn chế giải ngân dàn trải

Nhận định phiên giao dịch ngày 14/4: Chọn điểm mua tại nhịp xác nhận, hạn chế giải ngân dàn trải

VN-Index duy trì đà hồi phục nhưng phụ thuộc lớn vào nhóm cổ phiếu trụ, trong khi thanh khoản suy giảm và độ rộng thị trường chưa cải thiện. Trong bối cảnh rủi ro rung lắc gia tăng khi tiến sát vùng kháng cự, nhà đầu tư được khuyến nghị chọn điểm mua tại các nhịp xác nhận xu hướng hoặc điều chỉnh hợp lý, tránh giải ngân dàn trải.
Bước tiến chiến lược trong cuộc đua động cơ thế hệ mới

Bước tiến chiến lược trong cuộc đua động cơ thế hệ mới

Tập đoàn công nghệ Foxconn tiếp tục mở rộng dấu ấn trong lĩnh vực công nghiệp tiên tiến khi thông qua công ty thành viên Pan-International Industrial đầu tư 35,5 triệu euro vào startup công nghệ Magnax của Bỉ. Thương vụ này giúp Foxconn nắm giữ 52% cổ phần chi phối, đồng thời mở ra một giai đoạn phát triển mới cho công nghệ động cơ điện hiệu suất cao.
Hiệp định Paris 1973: Bản hùng ca ngoại giao và dấu mốc lịch sử của ý chí Việt Nam

Hiệp định Paris 1973: Bản hùng ca ngoại giao và dấu mốc lịch sử của ý chí Việt Nam

Hai cuốn sách vừa ra mắt đã mở lại cánh cửa lịch sử, đưa độc giả trở về những cuộc đấu trí căng thẳng tại Paris năm 1973, nơi ý chí độc lập và khát vọng hòa bình của dân tộc Việt Nam được khẳng định mạnh mẽ.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/4/2026: Tuổi Tuất khởi sắc, tuổi Dần có thể bị lợi dụng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/4/2026: Tuổi Tuất khởi sắc, tuổi Dần có thể bị lợi dụng

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 14/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Thị trường chứng khoán ngày 13/04: VN Index đảo chiều nhờ lực kéo từ họ Vin, thị trường giữ nhịp hồi phục

Thị trường chứng khoán ngày 13/04: VN Index đảo chiều nhờ lực kéo từ họ Vin, thị trường giữ nhịp hồi phục

Mở cửa tuần giao dịch mới trong sắc đỏ do tác động từ thông tin đàm phán Mỹ - Iran không đạt thỏa thuận, thị trường chịu áp lực điều chỉnh khá rõ trong nửa đầu phiên. Tuy nhiên, lực cầu bất ngờ gia tăng mạnh ở nhóm Vingroup, đặc biệt là VIC, đã giúp VN Index đảo chiều tăng gần 9 điểm khi đóng cửa, qua đó duy trì quán tính hồi phục ngắn hạn.
song-gia-tri