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
Chuyển đổi số trong phổ biến kiến thức: Từ số hóa tài liệu đến kiến trúc tri thức

Chuyển đổi số trong phổ biến kiến thức: Từ số hóa tài liệu đến kiến trúc tri thức

Khi trí tuệ nhân tạo (AI) có thể tìm kiếm, tổng hợp và diễn giải thông tin gần như tức thời, hoạt động phổ biến kiến thức khoa học và công nghệ đang đứng trước yêu cầu thay đổi cả về tư duy lẫn phương thức triển khai.
Robot hình người: Bài toán an toàn không thể chỉ dựa vào AI

Robot hình người: Bài toán an toàn không thể chỉ dựa vào AI

Nvidia vừa công bố Halos for Robotics, hệ thống an toàn được hãng giới thiệu dành cho trí tuệ nhân tạo vật lý và robot. Giải pháp đưa các công nghệ an toàn từ lĩnh vực xe tự hành sang robot, kết hợp máy tính, cảm biến, phần mềm và phòng thí nghiệm kiểm thử nhằm hỗ trợ các nhà sản xuất chuẩn bị cho quá trình chứng nhận độc lập. Agility Robotics là doanh nghiệp đầu tiên tích hợp hệ thống này vào robot hình người Digit.
Không lo tốn điện với loạt xe máy điện bình dân tích hợp công nghệ thông minh

Không lo tốn điện với loạt xe máy điện bình dân tích hợp công nghệ thông minh

Phân khúc phương tiện di chuyển vi mô (micro-mobility) tại thị trường Việt Nam đang chứng kiến sự bùng nổ của các dòng xe máy điện phổ thông dưới 20 triệu đồng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 23/9: Thị trường giằng co, hạn chế mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 23/9: Thị trường giằng co, hạn chế mua đuổi

Sau phiên phục hồi tích cực, VN-Index tiếp tục duy trì trên các ngưỡng hỗ trợ ngắn hạn, nhưng sự thiếu đồng thuận giữa diễn biến giá và các chỉ báo động lượng cho thấy xu hướng thị trường chưa thực sự rõ ràng. Nhà đầu tư ngắn hạn nên duy trì tỷ trọng vừa phải và hạn chế mua đuổi khi chỉ số tiến vào vùng cản.
Kho thông minh: Từ tối ưu không gian đến tự động hóa toàn bộ quy trình

Kho thông minh: Từ tối ưu không gian đến tự động hóa toàn bộ quy trình

Khi năng suất sản xuất tăng, doanh nghiệp không chỉ đối mặt với bài toán thiếu diện tích lưu trữ mà còn phải xử lý lượng dữ liệu lớn, nhiều thao tác thủ công và nhu cầu nhân lực ngày càng cao. Kho thông minh, với sự kết hợp giữa lưu trữ tự động, phần mềm, robot, AGV/AMR và Vision 3D, đang mở ra hướng tiếp cận mới để doanh nghiệp tối ưu không gian, nâng năng suất và kiểm soát hàng hóa.
VAA và Đại học Công nghệ Quế Lâm hợp tác tạo cơ hội phát triển công nghệ và chuyển đổi số cho Việt Nam

VAA và Đại học Công nghệ Quế Lâm hợp tác tạo cơ hội phát triển công nghệ và chuyển đổi số cho Việt Nam

Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) và Đại học Công nghệ Quế Lâm (Trung Quốc) ký biên bản ghi nhớ, hướng tới xây dựng phòng thí nghiệm trọng điểm chung về ứng dụng công nghệ và chuyển đổi số, đồng thời đưa kết quả nghiên cứu vào thử nghiệm, chuyển giao và ứng dụng tại Việt Nam và khu vực ASEAN.
Thị trường chứng khoán ngày 22/9: Chỉ số tăng hơn 17 điểm nhưng tiền vào chứng khoán xuống thấp nhất hai tháng

Thị trường chứng khoán ngày 22/9: Chỉ số tăng hơn 17 điểm nhưng tiền vào chứng khoán xuống thấp nhất hai tháng

VN Index bật tăng hơn 17 điểm sau khi mất mốc 1.800 trong phiên trước. Nhưng đằng sau sắc xanh là một tín hiệu đáng dè chừng với việc dòng tiền vào thị trường xuống thấp nhất khoảng hai tháng, chưa đến 13 nghìn tỷ đồng.
Nhật Bản ra mắt "xe cứu thương" dành cho robot hình người

Nhật Bản ra mắt "xe cứu thương" dành cho robot hình người

GMO Internet Group phát triển một loại xe chuyên dụng có khả năng đưa kỹ sư, thiết bị sửa chữa, phụ tùng và robot hình người dự phòng tới hiện trường khi robot gặp sự cố.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 23/9/2026: Tuổi Mùi tài lộc khởi sắc, tuổi Dần nên thận trọng công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 23/9/2026: Tuổi Mùi tài lộc khởi sắc, tuổi Dần nên thận trọng công việc

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 23/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
iPhone Duo đi ngược số đông: Vì sao Apple chọn kiểu dáng như một cuốn sổ tay?

iPhone Duo đi ngược số đông: Vì sao Apple chọn kiểu dáng như một cuốn sổ tay?

Không chạy theo kiểu dáng thuôn dài quen thuộc của smartphone gập hiện nay, Apple lại chọn một tỷ lệ màn hình khác biệt cho iPhone Duo. Đằng sau thiết kế tưởng như lạ mắt này là một ý tưởng khá đời thường: biến chiếc điện thoại thành một cuốn sổ tay, nhỏ gọn khi gập và rộng rãi khi mở.