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
Nhân lực bán dẫn Việt Nam: Chìa khóa để tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu

Nhân lực bán dẫn Việt Nam: Chìa khóa để tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu

Phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao đang trở thành một trong những điều kiện then chốt để Việt Nam xây dựng hệ sinh thái bán dẫn có năng lực cạnh tranh. Từ kinh nghiệm của Hà Lan, thực trạng nhân lực trong nước đến mô hình đào tạo gắn với nghiên cứu và doanh nghiệp của Trường Đại học Việt Đức, các góc nhìn tại SemiConnect Vietnam 2026 cho thấy yêu cầu cấp thiết phải thu hẹp khoảng cách giữa đào tạo, nghiên cứu và nhu cầu thực tiễn của ngành.
Nhà máy thông minh: Bắt đầu từ quản trị dữ liệu

Nhà máy thông minh: Bắt đầu từ quản trị dữ liệu

Trang bị máy móc hiện đại chưa đồng nghĩa với việc doanh nghiệp kiểm soát hiệu quả toàn bộ dây chuyền. Thu hẹp khoảng cách giữa tự động hóa cấp thiết bị và quản trị sản xuất dựa trên dữ liệu là bài toán trọng tâm được đặt ra tại Diễn đàn AutoTech Cafe kỳ 6 với chủ đề “Chuyển đổi sang sản xuất thông minh: Cách tiếp cận và giải pháp”, diễn ra ngày 17/10/2026 tại Công ty TNHH CITARES (Khu Công nghệ cao TP.Hồ Chí Minh).
Techcombank dự kiến tăng vốn lên hơn 106.500 tỷ đồng, dẫn đầu hệ thống ngân hàng

Techcombank dự kiến tăng vốn lên hơn 106.500 tỷ đồng, dẫn đầu hệ thống ngân hàng

Ngân hàng Nhà nước Việt Nam đã chấp thuận phương án tăng vốn điều lệ của Techcombank thêm tối đa 35.731 tỷ đồng. Sau khi hoàn tất phát hành cổ phiếu trả cổ tức và cổ phiếu theo chương trình ESOP, vốn điều lệ của ngân hàng dự kiến đạt 106.593 tỷ đồng, cao nhất hệ thống.
PETRONAS và Petrovietnam nâng tầm hợp tác chiến lược năng lượng

PETRONAS và Petrovietnam nâng tầm hợp tác chiến lược năng lượng

Thủ tướng Chính phủ Lê Minh Hưng đánh giá cao quan hệ hợp tác hơn 30 năm giữa Tập đoàn Dầu khí quốc gia Malaysia (PETRONAS) và Tập đoàn Công nghiệp - Năng lượng Quốc gia Việt Nam (Petrovietnam), đồng thời khẳng định Việt Nam ủng hộ mở rộng hợp tác đầu tư, phát triển các dự án năng lượng và tăng cường kết nối năng lượng khu vực.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/10/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Dậu cần cân đối chi tiêu

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/10/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Dậu cần cân đối chi tiêu

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 18/10/2026 nhằm dự đoán vận trình công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe, giúp bạn có thêm góc nhìn tham khảo để chủ động hơn trong cuộc sống.
227 doanh nghiệp được vinh danh tại Chương trình Thương hiệu quốc gia Việt Nam 2026

227 doanh nghiệp được vinh danh tại Chương trình Thương hiệu quốc gia Việt Nam 2026

Tối 16/10, tại Hà Nội, 227 doanh nghiệp với 499 sản phẩm được công nhận đạt Thương hiệu quốc gia Việt Nam năm 2026. Kết quả ghi nhận nỗ lực nâng cao chất lượng, đổi mới sáng tạo và năng lực cạnh tranh của doanh nghiệp Việt Nam trong bối cảnh hội nhập quốc tế.
TSDC thống nhất cơ chế vận hành, hướng tới nâng cao hiệu quả phát triển công nghệ

TSDC thống nhất cơ chế vận hành, hướng tới nâng cao hiệu quả phát triển công nghệ

Trung tâm Tìm kiếm và Phát triển Công nghệ (TSDC) thống nhất kiện toàn bộ máy tổ chức, phân định rõ trách nhiệm và thẩm quyền giữa các bộ phận, đồng thời áp dụng quy chế vận hành tạm thời trong 90 ngày để đánh giá, điều chỉnh. Việc hoàn thiện cơ chế tài chính, xây dựng hồ sơ năng lực và tăng cường kết nối với doanh nghiệp được xác định là những nhiệm vụ trọng tâm trong giai đoạn tới.
Thu hút, trọng dụng nhân tài: Đổi mới tư duy, lấy cống hiến làm thước đo

Thu hút, trọng dụng nhân tài: Đổi mới tư duy, lấy cống hiến làm thước đo

Kết luận số 105-KL/TW của Hội nghị lần thứ tư Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XIV xác định nhân tài là nguồn lực chiến lược đặc biệt của quốc gia, có vai trò dẫn dắt phát triển khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo. Điểm cốt lõi của định hướng mới là chuyển từ quản lý nhân tài theo tư duy hành chính sang quản trị dựa trên nhiệm vụ, sản phẩm, kết quả và giá trị cống hiến.
Turntide đẩy mạnh tự động hóa sản xuất động cơ điện

Turntide đẩy mạnh tự động hóa sản xuất động cơ điện

Turntide Technologies sẽ nhận khoản tài trợ 17 triệu bảng Anh từ Chính phủ Anh để mở rộng sản xuất động cơ từ thông trục, thông qua tự động hóa và đổi mới công nghệ. Khoản đầu tư nhằm nâng cao năng lực sản xuất hàng loạt, đáp ứng nhu cầu toàn cầu về các hệ thống truyền động điện có hiệu suất cao, trọng lượng nhẹ và tiết kiệm năng lượng.
Techmart công nghệ sinh học: Thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu

Techmart công nghệ sinh học: Thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu

Ngày 15/10, tại Hà Nội, Cục Thông tin, Thống kê và Đánh giá khoa học (NASISE), Bộ Khoa học và Công nghệ tổ chức Techmart kết nối sản phẩm khoa học và công nghệ chuyên ngành sinh học.
master