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
vcca2026
Tin bài khác
Đưa trí tuệ nhân tạo trở thành năng lực bắt buộc trong giáo dục quốc dân

Đưa trí tuệ nhân tạo trở thành năng lực bắt buộc trong giáo dục quốc dân

Chiều 13/7, Bộ Giáo dục và Đào tạo (Bộ GDĐT) tổ chức cuộc họp lấy ý kiến hoàn thiện Chương trình quốc gia phát triển nhân lực trí tuệ nhân tạo đến năm 2030, định hướng đến năm 2035.
Thị trường chứng khoán ngày 14/7: VN-Index hồi phục sau 3 phiên giảm, cổ phiếu PNJ tăng kịch trần

Thị trường chứng khoán ngày 14/7: VN-Index hồi phục sau 3 phiên giảm, cổ phiếu PNJ tăng kịch trần

Thị trường chứng khoán ngày 14/7 ghi nhận diễn biến khởi sắc khi VN-Index đảo chiều tăng hơn 6 điểm, chấm dứt chuỗi ba phiên giảm liên tiếp. Dòng tiền tập trung vào nhóm dầu khí và cổ phiếu PNJ, giúp mã này tăng hết biên độ và trở thành điểm nhấn của thị trường.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/7/2026: Tuổi Dậu gặp nhiều may mắn tài lộc, tuổi Thìn cần giữ vững lập trường

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/7/2026: Tuổi Dậu gặp nhiều may mắn tài lộc, tuổi Thìn cần giữ vững lập trường

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 15/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Dữ liệu chất lượng cao - nền tảng giúp rút ngắn chu kỳ phát triển xe điện

Dữ liệu chất lượng cao - nền tảng giúp rút ngắn chu kỳ phát triển xe điện

Trong cuộc đua phát triển xe điện và xe hybrid, lợi thế cạnh tranh không còn đến từ những ý tưởng đột phá đơn thuần mà phụ thuộc ngày càng nhiều vào khả năng thu thập, quản lý và khai thác dữ liệu. Các chuyên gia cho rằng tính toàn vẹn dữ liệu đang trở thành yếu tố quyết định giúp doanh nghiệp rút ngắn thời gian phát triển, giảm rủi ro kỹ thuật và tăng tốc thương mại hóa công nghệ mới.
BIDV Napas Business - giải pháp thanh toán hiệu quả của doanh nghiệp

BIDV Napas Business - giải pháp thanh toán hiệu quả của doanh nghiệp

Vừa ra mắt cách đây không lâu, Thẻ tín dụng doanh nghiệp nội địa BIDV Napas Business đã góp phần làm đa dạng hóa giải pháp tài chính dành cho doanh nghiệp.
Nhiều ngành của Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM lấy điểm sàn 15

Nhiều ngành của Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM lấy điểm sàn 15

Trường Đại học Công nghệ Kỹ thuật TP.HCM vừa công bố ngưỡng bảo đảm chất lượng đầu vào (điểm sàn) đối với các ngành, chương trình đào tạo đại học chính quy năm 2026. Năm nay cũng là lần đầu tiên trường triển khai phương thức xét tuyển kết hợp, bên cạnh xét tuyển thẳng và ưu tiên xét tuyển.
Giải pháp robot ứng dụng trí tuệ nhân tạo vật lý

Giải pháp robot ứng dụng trí tuệ nhân tạo vật lý

ABB Robotics và Roche Diagnostics vừa công bố hợp tác chiến lược toàn cầu nhằm phát triển các giải pháp robot ứng dụng trí tuệ nhân tạo vật lý (Physical AI) cho phòng thí nghiệm lâm sàng. Động thái này được kỳ vọng sẽ mở ra thế hệ phòng thí nghiệm thông minh mới, nơi robot không chỉ tự động hóa các công việc lặp lại mà còn thích ứng linh hoạt với môi trường vận hành, góp phần nâng cao hiệu quả chẩn đoán và giảm áp lực thiếu hụt nhân lực.
Ngày 15/10 hằng năm là Ngày Công dân số Việt Nam

Ngày 15/10 hằng năm là Ngày Công dân số Việt Nam

Chính phủ ban hành Nghị quyết số 66.22/2026/NQ-CP về phát triển công dân số. Nghị quyết này có hiệu lực thi hành từ ngày 15/8/2026 đến ngày 28/02/2027.
Nhận định phiên giao dịch ngày 14/7: Ưu tiên quản trị rủi ro, hạn chế bắt đáy

Nhận định phiên giao dịch ngày 14/7: Ưu tiên quản trị rủi ro, hạn chế bắt đáy

Sau phiên giảm mạnh nhất trong hơn một tháng, các chuyên gia khuyến nghị nhà đầu tư tiếp tục duy trì sự thận trọng, ưu tiên quản trị rủi ro và hạn chế bắt đáy khi xu hướng điều chỉnh của thị trường vẫn đang chiếm ưu thế.
Để văn hóa luôn là nền tảng tinh thần, động lực phát triển bền vững của Thủ đô

Để văn hóa luôn là nền tảng tinh thần, động lực phát triển bền vững của Thủ đô

Với truyền thống nghìn năm văn hiến và vai trò của Thủ đô, Hà Nội đang từng bước hiện thực hóa một mô hình phát triển mới – nơi văn hóa không chỉ được gìn giữ, mà còn được “kích hoạt” để tạo ra giá trị mới cho tương lai.
vn-web
song-gia-tri