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
Một buổi sáng

Một buổi sáng

Hà Nội, một buổi sáng giao mùa giữa xuân và hạ, không khí mát mẻ nhưng hơi lất phất mưa phùn và độ ẩm cao. Tôi uể oải thức dậy nhìn ra khung cửa sổ vẫn còn mờ sương với cảnh vật ảm đạm, thiếu ánh nắng. Thay xong bộ đồng phục, tôi ngồi mở điện thoại kiểm tra lại tin nhắn thông báo từ đêm hôm trước.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 16/8/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 16/8/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần 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 16/8/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Tiếp cận công nghệ mới, nâng hiệu quả tìm kiếm, xác định danh tính hài cốt liệt sĩ

Tiếp cận công nghệ mới, nâng hiệu quả tìm kiếm, xác định danh tính hài cốt liệt sĩ

Tiếp tục chương trình công tác tại Hoa Kỳ, đoàn công tác do Thượng tướng Nguyễn Văn Gấu, Thứ trưởng Bộ Quốc phòng, Phó Trưởng ban Chỉ đạo quốc gia về tìm kiếm, quy tập và xác định danh tính hài cốt liệt sĩ (Ban Chỉ đạo 515 quốc gia) dẫn đầu, đã có chuyến làm việc chuyên sâu tại Đại học Georgia và cơ sở pháp y quân sự hàng đầu của Hoa Kỳ.
Triển khai Nghị quyết 57: Chuyển mạnh từ hoàn thiện thể chế sang tạo sản phẩm công nghệ

Triển khai Nghị quyết 57: Chuyển mạnh từ hoàn thiện thể chế sang tạo sản phẩm công nghệ

Qua hơn 1 năm 8 tháng triển khai Nghị quyết số 57-NQ/TW của Bộ Chính trị, khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số đã có những chuyển biến rõ nét về nhận thức, thể chế và tổ chức thực hiện. Bộ KH&CN xác định trọng tâm từ nay đến cuối năm 2026 là chuyển mạnh từ hoàn thiện thể chế sang tạo ra sản phẩm, công nghệ và kết quả cụ thể.
Hành trình STEAMCUP 2026 rực rỡ: Từ thử sức ở trường học đến cuộc đua trên đấu trường quốc tế

Hành trình STEAMCUP 2026 rực rỡ: Từ thử sức ở trường học đến cuộc đua trên đấu trường quốc tế

Sau nhiều tháng chuẩn bị, luyện tập và thi đấu, mùa giải STEAMCUP 2026 - “R+Sport: Tinh thần Thể thao” đã chính thức khép lại bằng một hành trình trọn vẹn, bắt đầu từ các vòng thi tại trường, bùng nổ tại Vòng Chung kết STEAMCUP Việt Nam và kết thúc đầy tự hào tại 16th STEAMCUP Malaysia 2026.
Bứt phá năng suất dựa trên khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số

Bứt phá năng suất dựa trên khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số

Diễn đàn Năng suất Chất lượng Quốc gia năm 2026 được kỳ vọng góp phần nhận diện những điểm nghẽn, đề xuất giải pháp đột phá và thúc đẩy hình thành hệ sinh thái năng suất chất lượng hiện đại, lấy đổi mới sáng tạo làm động lực và doanh nghiệp làm trung tâm.
100 ngày tháo gỡ điểm nghẽn chuyển đổi số

100 ngày tháo gỡ điểm nghẽn chuyển đổi số

Ban Chỉ đạo 57 Thành ủy Hà Nội vừa ban hành Kế hoạch hành động 100 ngày nhằm xử lý các điểm nghẽn về chuyển đổi số trong hệ thống chính trị, yêu cầu làm rõ trách nhiệm và xử lý dứt điểm các nhiệm vụ chậm, quá hạn hoặc có nguy cơ chậm tiến độ.
Bản đồ trưởng thành mới cho trí tuệ nhân tạo

Bản đồ trưởng thành mới cho trí tuệ nhân tạo

Trong nhiều năm qua, các doanh nghiệp đánh giá mức độ trưởng thành của AI chủ yếu dựa trên khả năng triển khai, mức độ ứng dụng hay quản trị rủi ro. Tuy nhiên, khi AI đang tiến nhanh từ các mô hình tạo sinh sang các hệ thống có khả năng suy luận, lập kế hoạch và tự ra quyết định, giới nghiên cứu cho rằng cần một cách tiếp cận mới: đánh giá mức độ trưởng thành về nhận thức, thay vì chỉ đo lường mức độ triển khai công nghệ.
Doanh thu Vĩnh Hoàn tháng 7/2026: Xuất khẩu sang Trung Quốc tăng mạnh 80%

Doanh thu Vĩnh Hoàn tháng 7/2026: Xuất khẩu sang Trung Quốc tăng mạnh 80%

Sự sụt giảm mạnh tại thị trường xuất khẩu lớn nhất là Mỹ đã khiến doanh thu tháng 7/2026 của Vĩnh Hoàn giảm 10% so với cùng kỳ, dù mảng xuất khẩu sang Trung Quốc và châu Âu vẫn tăng trưởng tốt.
Loạt doanh nghiệp bất động sản nhà ở đạt lợi nhuận "khủng" nhờ hoạt động tài chính

Loạt doanh nghiệp bất động sản nhà ở đạt lợi nhuận "khủng" nhờ hoạt động tài chính

Bức tranh kinh doanh nửa đầu năm 2026 của nhóm doanh nghiệp bất động sản nhà ở ngày càng phân hóa rõ nét, khi nguồn thu lợi nhuận phần lớn không đến từ hoạt động kinh doanh cốt lõi, chủ yếu nhờ hoạt động tài chính.