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
GS.TS. Chu Phạm Ngọc Sơn: Một đời đưa tri thức khoa học vào thực tiễn

GS.TS. Chu Phạm Ngọc Sơn: Một đời đưa tri thức khoa học vào thực tiễn

Cuốn sách “Giáo sư - Tiến sĩ Chu Phạm Ngọc Sơn, Nhà Giáo thanh cao, Nhà Khoa học tài năng, một nhân cách lớn” vừa được ra mắt tại TP. Hồ Chí Minh nhân kỷ niệm 90 năm ngày sinh của cố GS.TS Chu Phạm Ngọc Sơn. Ấn phẩm là sự tri ân đối với một nhà khoa học tiêu biểu – người đã dành trọn cuộc đời gắn tri thức khoa học với thực tiễn sản xuất, giáo dục và sự phát triển của đất nước.
Chuẩn hóa trạm sạc xe điện: Giải bài toán an toàn và đo lường

Chuẩn hóa trạm sạc xe điện: Giải bài toán an toàn và đo lường

Thị trường phương tiện năng lượng mới tại Việt Nam đang bước vào giai đoạn bùng nổ, kéo theo sự mở rộng thần tốc của hạ tầng cung cấp năng lượng với khoảng 150.000 cổng sạc công suất lên đến 360 kW.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/8/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Sửu cần thận trọng trong công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/8/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Sửu cần thận trọng trong 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 17/8/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Ông Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Chủ tịch VINASA

Ông Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Chủ tịch VINASA

Đại hội Đại biểu toàn quốc Hiệp hội Phần mềm và Dịch vụ Công nghệ thông tin Việt Nam (VINASA) lần thứ VI, nhiệm kỳ 2026 - 2031 đã bầu 77 thành viên Ban chấp hành. Ông Nguyễn Văn Khoa, Tổng Giám đốc Công ty Cổ phần FPT, tiếp tục được tín nhiệm giữ chức Chủ tịch VINASA.
Điểm chuẩn ngành Tự động hóa vụt cao, trang bị gì cho người học từ bậc phổ thông đến đại học?

Điểm chuẩn ngành Tự động hóa vụt cao, trang bị gì cho người học từ bậc phổ thông đến đại học?

Sự phát triển của robot, trí tuệ nhân tạo, nhà máy thông minh và sản xuất tự động đang mở rộng dư địa việc làm cho nhân lực ngành Tự động hóa. Vậy cần trang bị gì cho người học từ bậc phổ thông đến đại học để thực sự có nguồn nhân lực đáp ứng được nhu cầu của xã hội?
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank dành 70.000 tỷ đồng tín dụng ưu đãi cho doanh nghiệp

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: Agribank dành 70.000 tỷ đồng tín dụng ưu đãi cho doanh nghiệp

Tuần qua đã có nhiều ngân hàng đã có những động thái quan trọng nhằm mở rộng dịch vụ và thu hút khách hàng với hàng loạt diễn biến đáng chú ý liên quan đến hoạt động kinh doanh: MSB ưu đãi lãi suất từ 8,5%/năm; HDBank chuẩn bị quay số 16 sổ tiết kiệm; Agribank dành 70.000 tỷ đồng tín dụng ưu đãi cho doanh nghiệp...
HI-TECH VIETNAM 2026: Hội tụ công nghệ mới, mở rộng cơ hội kết nối doanh nghiệp

HI-TECH VIETNAM 2026: Hội tụ công nghệ mới, mở rộng cơ hội kết nối doanh nghiệp

Từ công nghiệp bán dẫn, trí tuệ nhân tạo đến UAV, robot và sản xuất thông minh, nhiều lĩnh vực công nghệ đang định hình nền kinh tế số sẽ được giới thiệu tại HI-TECH VIETNAM 2026. Sự kiện diễn ra từ ngày 9 đến 11/9 tại Trung tâm Triển lãm Việt Nam (VEC), Đông Anh, Hà Nội.
Làm mát bằng chất lỏng trở thành hạ tầng chiến lược cho nhà máy AI

Làm mát bằng chất lỏng trở thành hạ tầng chiến lược cho nhà máy AI

Sự bùng nổ của trí tuệ nhân tạo (AI) đang tạo ra một cuộc chuyển đổi sâu rộng trong sản xuất công nghiệp, từ chế tạo chất bán dẫn, trung tâm dữ liệu đến các nhà máy sản xuất thông minh.
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.