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
Trường Tiểu học và THCS Tiên Dương: Khí thế mới cho hành trình gieo tri thức

Trường Tiểu học và THCS Tiên Dương: Khí thế mới cho hành trình gieo tri thức

Sáng 5/9, hòa chung không khí ngày hội khai trường trên cả nước, thầy và trò Trường Tiểu học và Trung học cơ sở Tiên Dương, xã Phúc Thịnh, Hà Nội tưng bừng tổ chức Lễ khai giảng năm học 2026-2027. Tiếng trống khai trường vang lên mở đầu một năm học mới với niềm tin, khí thế và nhiều kỳ vọng.
Thủ tướng Lê Minh Hưng: Giáo dục phải đi trước để kiến tạo tương lai đất nước

Thủ tướng Lê Minh Hưng: Giáo dục phải đi trước để kiến tạo tương lai đất nước

Sáng 5/9, tại tỉnh Lào Cai, Thủ tướng Chính phủ Lê Minh Hưng dự và phát biểu tại lễ khai giảng năm học 2026-2027 và khánh thành các trường phổ thông nội trú liên cấp tại các xã biên giới đất liền.
Thư của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm gửi ngành giáo dục nhân dịp Khai giảng năm học mới 2026-2027

Thư của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm gửi ngành giáo dục nhân dịp Khai giảng năm học mới 2026-2027

Nhân dịp khai giảng năm học 2026-2027, Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm đã gửi thư tới ngành giáo dục. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn Thư của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm.
Trường THCS Trần Duy Hưng: Đổi mới để học sinh làm chủ tương lai

Trường THCS Trần Duy Hưng: Đổi mới để học sinh làm chủ tương lai

Sáng 5/9, Trường THCS Trần Duy Hưng, phường Yên Hòa, Hà Nội tổ chức lễ khai giảng năm học 2026-2027 trong không khí trang trọng, phấn khởi. Đồng chí Trần Đức Thắng, Ủy viên Bộ Chính trị, Bí thư Thành ủy Hà Nội dự và chung vui cùng thầy, trò nhà trường.
TP.Hồ Chí Minh bước vào cao điểm 150 ngày hoàn thành kế hoạch tăng trưởng 2 con số

TP.Hồ Chí Minh bước vào cao điểm 150 ngày hoàn thành kế hoạch tăng trưởng 2 con số

Sau 8 tháng năm 2026, kinh tế TP.Hồ Chí Minh tiếp tục duy trì đà tăng trưởng tích cực với nhiều chỉ tiêu đạt mức tăng khá. Công nghiệp, thương mại - dịch vụ, xuất nhập khẩu, thu hút đầu tư nước ngoài và hoạt động doanh nghiệp tiếp tục tạo nền tảng cho mục tiêu tăng trưởng GRDP từ 10% trở lên.
Tự động hóa mở hướng nâng cao hiệu quả cho ngành in - bao bì

Tự động hóa mở hướng nâng cao hiệu quả cho ngành in - bao bì

Diễn đàn “Tự động hóa trong ngành in ấn - bao bì” sẽ diễn ra ngày 18/9/2026 tại SECC, TP. Hồ Chí Minh, tập trung bàn về xu hướng tự động hóa, nhà máy bao bì thông minh, kiểm soát chất lượng, nhân lực và các giải pháp đầu tư phù hợp với doanh nghiệp trong bối cảnh chi phí, yêu cầu xuất khẩu và sản xuất xanh ngày càng gia tăng.
Robot hình người bắt đầu làm việc nhà thay con người

Robot hình người bắt đầu làm việc nhà thay con người

Hút bụi, lau sàn, vệ sinh bếp hay cọ rửa nhà vệ sinh, những công việc vốn gắn với căn bếp và đời sống gia đình đang dần được chuyển giao cho robot hình người. Tại San Francisco, Mỹ, một startup đã bắt đầu đưa những cỗ máy này vào nhà dân dưới hình thức dịch vụ, mở ra hình dung về một tương lai khi robot có thể trở thành “người giúp việc” trong mỗi gia đình.
Thị trường chứng khoán ngày 04/9: Cổ phiếu VIC “dẫn sóng”, VN Index tăng hơn 25 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 04/9: Cổ phiếu VIC “dẫn sóng”, VN Index tăng hơn 25 điểm

VN Index tăng hơn 25 điểm và vượt mốc 1.850 trong phiên cuối tuần, nhưng độ rộng thị trường vẫn nghiêng về bên giảm. Cổ phiếu VIC trở thành động lực chính của chỉ số, trong khi thanh khoản suy giảm cho thấy dòng tiền chưa thực sự lan tỏa.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/9/2026: Tuổi Ngọ vận trình hanh thông, tuổi Thìn nên thận trọng tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/9/2026: Tuổi Ngọ vận trình hanh thông, tuổi Thìn nên thận trọng tài chính

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 5/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Từ “cỗ máy ngốn điện” trở thành khách hàng linh hoạt của lưới điện

Từ “cỗ máy ngốn điện” trở thành khách hàng linh hoạt của lưới điện

Câu chuyện trung tâm dữ liệu AI (Data Center AI) tiêu tốn điện năng không còn là câu chuyện mới. Vấn đề nằm ở chỗ hàng chục, thậm chí hàng trăm megawatt ấy xuất hiện vào lúc nào, tập trung ở đâu, linh hoạt đến đâu và có thể “đi cùng nhịp” với lưới điện hay không? Cùng TĐHNN thử đi tìm lời giải cho những câu hỏi này.