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: Từ xây dựng nền tảng đến nâng cao hiệu quả thực chất

Chuyển đổi số: Từ xây dựng nền tảng đến nâng cao hiệu quả thực chất

Sau 6 năm triển khai, chuyển đổi số quốc gia đã đạt nhiều kết quả trong hoàn thiện thể chế, phát triển hạ tầng số và mở rộng dịch vụ công trực tuyến. Tuy nhiên, để chuyển đổi số thực sự trở thành động lực nâng cao năng suất lao động, giảm chi phí và tăng năng lực cạnh tranh, Việt Nam cần tháo gỡ những điểm nghẽn về dữ liệu, nền tảng, hạ tầng và nguồn nhân lực.
Gói quạt hiệu năng 85% giúp tiết kiệm năng lượng, hoàn vốn đầu tư trong chưa đầy hai năm

Gói quạt hiệu năng 85% giúp tiết kiệm năng lượng, hoàn vốn đầu tư trong chưa đầy hai năm

ABB hợp tác với Novenco, chuyên gia quạt hiệu suất cao của Đan Mạch, phát triển gói quạt hướng trục có hiệu suất hệ thống lên tới 85% trong các hệ thống xử lý không khí (AHU) điển hình. Giải pháp được kỳ vọng giúp doanh nghiệp tiết kiệm năng lượng đáng kể, giảm phát thải carbon và thu hồi vốn đầu tư trong chưa đầy hai năm.
Ông Lê Quang Tự Do được bổ nhiệm làm Cục trưởng Cục Báo chí

Ông Lê Quang Tự Do được bổ nhiệm làm Cục trưởng Cục Báo chí

Ngày 9/10, Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch công bố quyết định điều động, bổ nhiệm ông Lê Quang Tự Do, Cục trưởng Cục Phát thanh, Truyền hình và Thông tin điện tử, giữ chức Cục trưởng Cục Báo chí. Đây là một trong những quyết định kiện toàn nhân sự lãnh đạo các đơn vị thuộc Bộ sau quá trình sắp xếp tổ chức bộ máy.
Hà Nội đặt nguồn nhân lực chất lượng cao vào trung tâm động lực tăng trưởng mới

Hà Nội đặt nguồn nhân lực chất lượng cao vào trung tâm động lực tăng trưởng mới

Diễn đàn Kinh tế Thủ đô lần thứ III năm 2026 (CEF III) đặt nguồn nhân lực chất lượng cao vào vị trí trung tâm của chiến lược nâng cao năng suất, thúc đẩy đổi mới sáng tạo và tăng sức cạnh tranh cho doanh nghiệp. Đây cũng được xem là một trong những nền tảng quan trọng để Hà Nội tạo thêm động lực tăng trưởng trong giai đoạn mới.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 10/10/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Thìn cần thận trọng trong lời nói

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 10/10/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Thìn cần thận trọng trong lời nói

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 10/10/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Vinamilk và bài toán giữ niềm tin người tiêu dùng qua nhiều thế hệ

Vinamilk và bài toán giữ niềm tin người tiêu dùng qua nhiều thế hệ

Trong số hàng nghìn doanh nghiệp được người tiêu dùng bình chọn qua ba thập kỷ, chỉ 28 doanh nghiệp duy trì danh hiệu Hàng Việt Nam Chất lượng cao liên tục 30 năm. Vinamilk là một trong số đó. Đằng sau con số này là hành trình nửa thế kỷ “không ngừng nâng chuẩn” trong khi yêu cầu của người tiêu dùng cũng không đứng yên.
Thị trường chứng khoán ngày 9/10: MCH tạo đột biến thanh khoản, VN Index hồi phục bất thành trước áp lực bán

Thị trường chứng khoán ngày 9/10: MCH tạo đột biến thanh khoản, VN Index hồi phục bất thành trước áp lực bán

VN Index từng sát mốc 1.720 điểm rồi bật ngược, nhưng cú hồi cuối cùng vẫn chưa đủ để đảo chiều. Thanh khoản bùng nổ hơn 27,5 nghìn tỷ đồng gây chú ý, song phần lớn đột biến đến từ thương vụ thỏa thuận MCH trị giá hơn 9,6 nghìn tỷ đồng.
TP.Hồ Chí Minh tạo “bệ phóng” chính sách, mở không gian mới cho công nghệ và tự động hóa

TP.Hồ Chí Minh tạo “bệ phóng” chính sách, mở không gian mới cho công nghệ và tự động hóa

Hàng loạt cơ chế, chính sách mới được TP.Hồ Chí Minh triển khai đang mở rộng không gian hỗ trợ từ nghiên cứu, phát triển công nghệ đến ươm tạo, thương mại hóa và phát triển hạ tầng đổi mới sáng tạo. Với lĩnh vực tự động hóa, đây là nguồn lực cho các ý tưởng công nghệ và là mà còn cơ hội rút ngắn hành trình từ phòng thí nghiệm đến nhà máy, từ nguyên mẫu đến sản phẩm thương mại.
PCIM Asia Shenzhen - Điểm kết nối của ngành điện tử công suất quan trọng trong năm 2026 tại châu Á

PCIM Asia Shenzhen - Điểm kết nối của ngành điện tử công suất quan trọng trong năm 2026 tại châu Á

PCIM Asia Shenzhen 2026 sau 3 ngày diễn ra (từ ngày 26 đến 28/8) tại Trung tâm Triển lãm & Hội nghị Thế giới Thâm Quyến, Trung Quốc, quy tụ hàng trăm doanh nghiệp, chuyên gia và nhà nghiên cứu trong lĩnh vực điện tử công suất. Sự kiện ghi nhận hơn 25.000 lượt khách tham quan, trong đó lượng khách quốc tế tăng 183%, cho thấy sức hút ngày càng lớn của ngành điện tử công suất tại thị trường châu Á.
Triển lãm Robot Hà Nội 2026: Kết nối công nghệ với nhu cầu thực tiễn

Triển lãm Robot Hà Nội 2026: Kết nối công nghệ với nhu cầu thực tiễn

Triển lãm Robot Hà Nội năm 2026 diễn ra ngày 8/10 tại Đại học Phenikaa, do Sở Khoa học và Công nghệ thành phố Hà Nội chủ trì, với sự tham gia tổ chức của Trung tâm Chuyển đổi số thành phố Hà Nội, Công ty CP Giải trí và Truyền thông Vicgroup và PHX Smart School.
master