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
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/9/2026: Tuổi Ngọ tài lộc khởi sắc, tuổi Mão nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/9/2026: Tuổi Ngọ tài lộc khởi sắc, tuổi Mão nên tránh nóng vội

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 25/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Đào tạo CNC: Từ cập nhật công nghệ đến xây dựng mạng lưới nhân lực

Đào tạo CNC: Từ cập nhật công nghệ đến xây dựng mạng lưới nhân lực

Trong sản xuất cơ khí hiện đại, làm chủ công nghệ CNC không chỉ phụ thuộc vào thiết bị mà còn đòi hỏi đội ngũ nhân lực có khả năng vận hành, lập trình và chuyển giao công nghệ.
Làm thế nào để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển?

Làm thế nào để nâng cao độ tin cậy của hệ thống điều khiển?

Trong các nhà máy hiện đại, độ tin cậy của hệ thống điều khiển có ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu suất, chất lượng sản phẩm và thời gian vận hành. Với những quy trình liên tục hoặc theo mẻ có giá trị sản phẩm cao, một sự cố nhỏ ở bộ điều khiển, nguồn điện, cảm biến hay mạng truyền thông cũng có thể dẫn tới gián đoạn sản xuất đáng kể. Vì vậy, nâng cao độ tin cậy cần được xem xét ngay từ khâu thiết kế thay vì chỉ xử lý khi sự cố xảy ra.
Tín dụng kinh doanh bất động sản nhiều ngân hàng tăng trưởng hai chữ số

Tín dụng kinh doanh bất động sản nhiều ngân hàng tăng trưởng hai chữ số

Hoạt động cho vay kinh doanh bất động sản tại nhiều ngân hàng vẫn tiếp tục tăng trưởng hai chữ số trong 6 tháng đầu năm 2026.
50 năm Vinamilk: Hành trình không ngừng nâng chuẩn

50 năm Vinamilk: Hành trình không ngừng nâng chuẩn

Nhìn lại 50 năm qua bộ phim tài liệu “50 năm Vinamilk - Không ngừng nâng chuẩn, làm đến tận cùng”, hành trình Vinamilk hiện lên không chỉ qua những cột mốc tăng trưởng, mà qua những lần doanh nghiệp tự đặt cho mình một chuẩn mực cao hơn: từ làm chủ công nghệ, kiểm soát chất lượng trên toàn chuỗi đến trách nhiệm với cộng đồng và thế hệ tương lai. “Không ngừng nâng chuẩn”, theo cách đó, không chỉ là câu chuyện về chất lượng sản phẩm, mà còn là cách một doanh nghiệp lựa chọn để trưởng thành.
Thị trường chứng khoán ngày 23/9: Khối ngoại “xả” hơn 1 nghìn tỷ đồng, VN Index lùi sát mốc 1.800 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 23/9: Khối ngoại “xả” hơn 1 nghìn tỷ đồng, VN Index lùi sát mốc 1.800 điểm

Trong phiên sáng, nhóm ngân hàng còn đưa VN Index tiến sát 1.820 điểm, nhưng đến cuối ngày thị trường bất ngờ quay đầu giảm hơn 15 điểm. VIC gây áp lực lớn khi lấy đi hơn 12 điểm và khối ngoại bán ròng hơn 1 nghìn tỷ đồng đã tạo áp lực lớn đến chỉ số chung.
Ông Bùi Hoàng Phương làm Chủ tịch UBND tỉnh Quảng Trị

Ông Bùi Hoàng Phương làm Chủ tịch UBND tỉnh Quảng Trị

Thứ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ Bùi Hoàng Phương được Bộ Chính trị điều động, chỉ định giữ chức Phó bí thư Tỉnh ủy và được bầu làm Chủ tịch UBND tỉnh Quảng Trị.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 24/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Tuất nên thận trọng quyết định

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 24/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Tuất nên 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 24/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
VinSpeed và Siemens Mobility ký hợp đồng 1 tỷ Euro phát triển đường sắt cao tốc

VinSpeed và Siemens Mobility ký hợp đồng 1 tỷ Euro phát triển đường sắt cao tốc

Hợp đồng trọn gói trị giá lên tới 1 tỷ Euro giữa VinSpeed và Siemens Mobility bao gồm cung cấp 10 đoàn tàu Velaro Novo cùng hệ thống tín hiệu, điện khí hóa cho hai tuyến Hà Nội - Quảng Ninh và Bến Thành - Cần Giờ.
Chuyển đổi số trong phổ biến kiến thức: Từ số hóa tài liệu đến kiến trúc tri thức

Chuyển đổi số trong phổ biến kiến thức: Từ số hóa tài liệu đến kiến trúc tri thức

Khi trí tuệ nhân tạo (AI) có thể tìm kiếm, tổng hợp và diễn giải thông tin gần như tức thời, hoạt động phổ biến kiến thức khoa học và công nghệ đang đứng trước yêu cầu thay đổi cả về tư duy lẫn phương thức triển khai.