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
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.
Đưa khoa học vào ngày hội Trung thu: Khi trẻ học bằng trải nghiệm và khám phá

Đưa khoa học vào ngày hội Trung thu: Khi trẻ học bằng trải nghiệm và khám phá

Sau 1,5 ngày diễn ra, “Ngày hội đón trăng” trong khuôn khổ chương trình “Xứ sở Ánh trăng” của Đài Truyền hình Việt Nam đã thu hút khoảng 3.400 lượt thiếu nhi và phụ huynh. Không chỉ tái hiện không khí Trung thu truyền thống, ngày hội còn mở ra không gian để trẻ em khám phá khoa học, thiên văn, văn hóa và cùng gia đình tham gia nhiều hoạt động trải nghiệm.
Tái cấu trúc chuỗi xuất khẩu TP.Hồ Chí Minh: Tự động hóa là then chốt

Tái cấu trúc chuỗi xuất khẩu TP.Hồ Chí Minh: Tự động hóa là then chốt

Xuất nhập khẩu của TP.Hồ Chí Minh đang duy trì đà tăng trưởng, nhưng phía sau những con số về kim ngạch là yêu cầu nâng cấp toàn bộ chuỗi giá trị. Từ sản xuất, logistics, tận dụng FTA đến xúc tiến thương mại, các mắt xích đang được đặt trong một cấu trúc mới, nơi công nghệ, dữ liệu, tự động hóa và chuyển đổi xanh ngày càng trở thành điều kiện để doanh nghiệp nâng sức cạnh tranh và tham gia sâu hơn vào chuỗi cung ứng toàn cầu.
Universal Robots ra mắt Gen 7: Nền tảng robot cộng tác sẵn sàng cho kỷ nguyên AI

Universal Robots ra mắt Gen 7: Nền tảng robot cộng tác sẵn sàng cho kỷ nguyên AI

Universal Robots (UR) vừa giới thiệu thế hệ thứ bảy của nền tảng robot cộng tác, đánh dấu bước chuyển hướng mạnh hơn sang các ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) và AI vật lý trong sản xuất. Gen 7 được thiết kế lại từ bộ điều khiển, bảng điều khiển cầm tay đến mặt bích dụng cụ, hướng tới mục tiêu giảm độ phức tạp khi tích hợp và rút ngắn thời gian đưa các ứng dụng tự động hóa tiên tiến vào vận hành.
Nhận định phiên giao dịch ngày 22/9: Nhịp điều chỉnh có thể mở ra cơ hội tích lũy

Nhận định phiên giao dịch ngày 22/9: Nhịp điều chỉnh có thể mở ra cơ hội tích lũy

VN-Index giảm mạnh trong phiên 21/9, đánh mất vùng hỗ trợ 1.805 điểm và cho thấy áp lực bán đang gia tăng. Tuy nhiên, nếu chỉ số lùi về các vùng hỗ trợ thấp hơn, đây có thể là cơ sở để nhà đầu tư từng bước tìm kiếm cơ hội tích lũy ở những cổ phiếu có nền tảng và triển vọng tốt.
Thị trường chứng khoán ngày 21/9: VN Index giảm sâu trong ngày thị trường Việt Nam được nâng hạng

Thị trường chứng khoán ngày 21/9: VN Index giảm sâu trong ngày thị trường Việt Nam được nâng hạng

Bất chấp thông tin thị trường chính thức nâng hạng, VN Index vẫn giảm gần 16 điểm và đánh mất mốc 1.800 khi nhóm vốn hóa lớn chịu áp lực bán mạnh. Dù vậy, lực cầu bắt đáy xuất hiện quanh vùng MA50 -MA200 giúp chỉ số rút chân đáng kể.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/9/2026: Tuổi Tuất vận trình hanh thông, tuổi Ngọ nên thận trọng tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/9/2026: Tuổi Tuất vận trình hanh thông, tuổi Ngọ 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 22/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Việt - Trung xây dựng Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Việt - Trung xây dựng Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo

Phòng thí nghiệm Liên hợp ứng dụng trí tuệ nhân tạo Việt - Trung được kỳ vọng trở thành đầu mối kết nối nghiên cứu, phát triển công nghệ AI với các kịch bản ứng dụng thực tế tại Việt Nam và thị trường ASEAN.
[E-Magazine] Cuộc chiến giành quyền kiểm soát nền văn minh hậu-carbon

[E-Magazine] Cuộc chiến giành quyền kiểm soát nền văn minh hậu-carbon

Phía sau những chiếc xe điện, những trạm sạc và khẩu hiệu “năng lượng xanh” đang là một cuộc tái phân phối quyền lực quy mô hành tinh. Thế giới tưởng rằng mình đang chứng kiến sự chuyển đổi của ngành giao thông. Nhưng sâu hơn, đây là cuộc tranh đoạt quyền sở hữu đối với nền văn minh hậu-carbon, nơi pin điện, vật liệu hiếm và bằng sáng chế công nghệ đang dần thay thế vai trò lịch sử của dầu mỏ trong thế kỷ XX.
Đi xa 1.000 km sau một lần sạc: Geely chốt lịch ra mắt pin thể rắn

Đi xa 1.000 km sau một lần sạc: Geely chốt lịch ra mắt pin thể rắn

Geely bứt phá với công nghệ pin thể rắn 500 Wh/kg, nâng tầm hoạt động xe điện lên 1.000 km, sẵn sàng thương mại hóa toàn diện từ năm 2027.