acecook

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
vaa
Tin bài khác
Lộ diện “ngôi vương” lương tự động hóa năm 2025: Dầu khí bỏ xa các ngành còn lại

Lộ diện “ngôi vương” lương tự động hóa năm 2025: Dầu khí bỏ xa các ngành còn lại

Ngành tự động hóa đang chứng kiến những chuyển động đáng chú ý về thu nhập trong năm 2025, trong đó lĩnh vực dầu khí tiếp tục khẳng định vị thế là phân khúc mang lại mức lương cao nhất. Đây là kết quả nổi bật từ Khảo sát Lương Chuyên gia Tự động hóa năm 2025 - ấn phẩm thường niên do Hiệp hội Tự động hóa Quốc tế ISA thực hiện.
Màn hình HMI dòng Pro-face™ cho tự động hóa công nghiệp

Màn hình HMI dòng Pro-face™ cho tự động hóa công nghiệp

Màn hình HMI Pro-face của Schneider Electric mang lại hiệu năng, độ bền và khả năng kết nối đáp ứng nhu cầu vận hành.
Bộ GDĐT nâng cao chất lượng hướng nghiệp, phân luồng trong các cơ sở giáo dục

Bộ GDĐT nâng cao chất lượng hướng nghiệp, phân luồng trong các cơ sở giáo dục

Bộ GDĐT và Hội Cựu giáo chức cơ quan Bộ vừa tổ chức thành công Hội thảo “Giải pháp nâng cao chất lượng giáo dục hướng nghiệp và định hướng phân luồn trong các cơ sở giáo dục phổ thông”.
Bộ SGK ‘Kết nối tri thức với cuộc sống’ được sử dụng trên toàn quốc từ năm học 2026-2027

Bộ SGK ‘Kết nối tri thức với cuộc sống’ được sử dụng trên toàn quốc từ năm học 2026-2027

Bộ GDĐT vừa ban hành Quyết định số 3588/QĐ-BGDĐT về bộ sách giáo khoa (SGK) giáo dục phổ thông sử dụng thống nhất toàn quốc. Theo đó, bộ sách giáo khoa “Kết nối tri thức với cuộc sống” của NXB Giáo dục Việt Nam được chọn sử dụng trên toàn quốc, từ năm học 2026-2027.
5 loại công nghệ định hình thế giới 2025

5 loại công nghệ định hình thế giới 2025

Khép lại năm 2025, khi thế giới bước qua một chu kỳ biến động sâu sắc về kinh tế, địa chính trị và khí hậu, công nghệ không còn đứng ở vai trò hỗ trợ, mà đã trở thành lực dẫn đường cho tăng trưởng, ổn định và tái cấu trúc xã hội. Từ góc nhìn kỹ trị và quản trị, tòa soạn Tự động hóa Ngày nay lựa chọn 5 công nghệ tiêu biểu nhất năm qua, những công nghệ đã bước ra khỏi phòng thí nghiệm, đi vào đời sống, tạo ra giá trị thực, bền và rộng cho nhân loại.
Bộ KH&CN đặt mục tiêu 89.000 doanh nghiệp công nghệ số vào năm 2026

Bộ KH&CN đặt mục tiêu 89.000 doanh nghiệp công nghệ số vào năm 2026

Chiều 31/12, tại Hà Nội, Bộ Khoa học và Công nghệ (KH&CN) tổ chức họp báo cung cấp thông tin tới các cơ quan báo chí về kết quả hoạt động năm 2025 của ngành KH&CN và một số nhiệm vụ trọng tâm năm 2026.
Bà Lâm Thị Phương Thanh làm Thứ trưởng Thường trực Bộ VHTT&DL

Bà Lâm Thị Phương Thanh làm Thứ trưởng Thường trực Bộ VHTT&DL

Thủ tướng Chính phủ có các Quyết định về việc tiếp nhận, bổ nhiệm Thứ trưởng Thường trực Bộ VHTT&DL; phê chuẩn kết quả bầu chức vụ Phó Chủ tịch UBND tỉnh Điện Biên.
Học viện Chính trị quốc gia Hồ Chí Minh có tân Phó giám đốc

Học viện Chính trị quốc gia Hồ Chí Minh có tân Phó giám đốc

Thứ trưởng Thường trực Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch Lê Hải Bình giữ chức Phó Giám đốc Học viện Chính trị quốc gia Hồ Chí Minh, theo quyết định của Bộ Chính trị.
Đại học Bách khoa Hà Nội có thêm 3 Giáo sư và 27 Phó giáo sư

Đại học Bách khoa Hà Nội có thêm 3 Giáo sư và 27 Phó giáo sư

Đại học Bách khoa Hà Nội vừa trao các Quyết định bổ nhiệm Giáo sư, Phó giáo sư năm 2025 cho 30 nhà khoa học của Nhà trường, trong đó có 3 tân Giáo sư: GS. Phạm Văn Sáng (ngành Động lực), GS. Huỳnh Thị Thanh Bình (ngành Công nghệ thông tin) và GS. Nghiêm Trung Dũng (ngành Hóa học).
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 1/1/2026: Tuổi Ngọ vận trình giảm sút, tuổi Hợi thuận lợi

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 1/1/2026: Tuổi Ngọ vận trình giảm sút, tuổi Hợi thuận lợi

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 1/1/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
song-gia-tri