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
Taxi điện trở thành phòng thí nghiệm vận hành

Taxi điện trở thành phòng thí nghiệm vận hành

Một chuyến taxi điện nhìn qua thấy rất đơn giản - khách đặt xe, tài xế đón, xe lăn bánh, pin hao đi một phần, rồi lại trở về trạm sạc hoặc tiếp tục chuyến kế tiếp.
Tiếng nói tuổi trẻ trên sân khấu nhạc kịch

Tiếng nói tuổi trẻ trên sân khấu nhạc kịch

English Performance đã trở thành một điểm hẹn nghệ thuật được mong đợi không chỉ trong cộng đồng học sinh Hà Nội mà còn thu hút đông đảo khán giả yêu thích sân khấu trẻ.
Chia xa nhà giáo, nhà khoa học trẻ - PGS.TS. Trịnh Lương Miên

Chia xa nhà giáo, nhà khoa học trẻ - PGS.TS. Trịnh Lương Miên

Hai ngày hôm nay, cộng đồng các nhà giáo, nhà khoa học trong lĩnh vực Điều khiển và Tự động hóa không khỏi bàng hoàng khi biết tin PGS.TS. Trịnh Lương Miên, là Trưởng Bộ môn Điều khiển học, Phó Chủ nhiệm Khoa Điện - Điện tử Trường Đại học Giao thông vận tải đã vĩnh viễn rời xa cõi tạm.
BIDV và VietinBank thu xếp thành công khoản tín dụng 7.300 tỷ đồng cho Dự án Ô Môn IV

BIDV và VietinBank thu xếp thành công khoản tín dụng 7.300 tỷ đồng cho Dự án Ô Môn IV

Ngày 24/7/2026, Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) và Ngân hàng TMCP Công Thương Việt Nam (VietinBank) phối hợp cùng Tập đoàn Công nghiệp - Năng lượng Quốc gia Việt Nam (Petrovietnam) tổ chức Lễ ký kết Hợp đồng tín dụng tài trợ Dự án Nhà máy Nhiệt điện Ô Môn IV.
BSR lập kỷ lục doanh thu và sản lượng trong nửa đầu năm 2026

BSR lập kỷ lục doanh thu và sản lượng trong nửa đầu năm 2026

Dù thị trường dầu mỏ thế giới liên tục biến động bởi căng thẳng địa chính trị tại Trung Đông, Tổng Công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) vẫn ghi nhận kết quả sản xuất kinh doanh cao nhất kể từ khi đi vào hoạt động.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/7/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Thân cần thận trọng quyết định

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/7/2026: Tuổi Ngọ vận trình khởi sắc, tuổi Thân cần thận trọng quyết định

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 26/7/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Tái cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu: Mở lối cho logistics Việt Nam bứt phá

Tái cấu trúc chuỗi cung ứng toàn cầu: Mở lối cho logistics Việt Nam bứt phá

Trong bối cảnh chuỗi cung ứng toàn cầu tiếp tục dịch chuyển dưới tác động của biến động địa chính trị, xu hướng chuyển đổi số và yêu cầu phát triển bền vững, ngành logistics Việt Nam đang đứng trước cơ hội lớn để tái định vị vai trò trong mạng lưới thương mại quốc tế.
Toàn văn phát biểu bế mạc Hội nghị Trung ương 3 của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm

Toàn văn phát biểu bế mạc Hội nghị Trung ương 3 của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm

Chiều 24/7, Hội nghị Trung ương 3 khóa XIV bế mạc. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn bài phát biểu bế mạc hội nghị của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm.
Vinamilk: Khi chất lượng sản phẩm trở thành đạo đức nghề nghiệp

Vinamilk: Khi chất lượng sản phẩm trở thành đạo đức nghề nghiệp

Tối ngày 23/07/2026 tại Nhà hát Hồ Gươm (Hà Nội), Công ty Cổ phần Sữa Việt Nam (Vinamilk) phối hợp với Đài Truyền hình Việt Nam tổ chức chương trình nghệ thuật “50 năm – Phụng sự khát vọng Việt”, đánh dấu cột mốc đặc biệt: 50 năm hình thành và phát triển của Vinamilk nói riêng và ngành sữa Việt Nam nói chung. Trong khuôn khổ sự kiện, Vinamilk vinh dự đón nhận danh hiệu Anh hùng Lao động lần thứ hai trong lịch sử phát triển của doanh nghiệp. Cũng tại chương trình, bà Mai Kiều Liên - nguyên Ủy viên Trung ương Đảng, Anh hùng Lao động, Tổng Giám đốc Vinamilk - được trao tặng Huân chương Độc lập hạng Ba vì những thành tích đặc biệt xuất sắc trong công tác, góp phần vào sự nghiệp xây dựng chủ nghĩa xã hội và bảo vệ Tổ quốc.
Kỳ 1: Khi giao thông xanh bước xuống mặt đường

Kỳ 1: Khi giao thông xanh bước xuống mặt đường

Không khí của một thành phố không chỉ nằm trong các bản quan trắc. Nó nằm trong lồng ngực người đi làm buổi sớm, sau tiếng ho của người già khi chiều muộn, trong khoảng lặng hiếm hoi giữa hai làn xe. Từ những chi tiết nhỏ ấy, xanh hóa giao thông rời khỏi diễn đàn chính sách để trở thành một nhu cầu sống, một phép thử phát triển và một câu hỏi về tương lai công nghiệp Việt Nam.
song-gia-tri