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
Biến ô tô thành trạm phát điện di động: Lời giải từ công nghệ V2G

Biến ô tô thành trạm phát điện di động: Lời giải từ công nghệ V2G

Ngành công nghiệp xe điện toàn cầu đang chứng kiến một cuộc dịch chuyển mang tính bước ngoặt, từ việc chạy đua phần cứng nâng công suất sang giải quyết bài toán tự động hóa giao tiếp giữa phương tiện, trụ sạc và lưới điện.
Chủ tịch VINASA Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Phó Chủ tịch ASOCIO

Chủ tịch VINASA Nguyễn Văn Khoa tái đắc cử Phó Chủ tịch ASOCIO

Ông Nguyễn Văn Khoa, Chủ tịch Hiệp hội Phần mềm và Dịch vụ CNTT Việt Nam (VINASA), được bầu tiếp tục giữ chức Phó Chủ tịch ASOCIO nhiệm kỳ 2027-2028 tại phiên họp Đại hội đồng ASOCIO diễn ra chiều 5/10 tại Jakarta, Indonesia.
Thị trường chứng khoán ngày 6/10: Thanh khoản tăng mạnh, VN Index đảo chiều sau khi mất 18 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 6/10: Thanh khoản tăng mạnh, VN Index đảo chiều sau khi mất 18 điểm

Có lúc VN Index “bốc hơi” hơn 18 điểm, nhưng bên bán đã không thể duy trì sức ép đến cuối phiên. Dòng tiền bắt đáy bất ngờ nhập cuộc, kéo chỉ số rút chân mạnh và kết phiên trong sắc xanh.
Từ chiếc mũ rơm đến AI: Hành trình học tập không ngừng ở Phường Cầu Giấy - Thành phố Hà Nội

Từ chiếc mũ rơm đến AI: Hành trình học tập không ngừng ở Phường Cầu Giấy - Thành phố Hà Nội

Từ chiếc mũ rơm trong lớp học thời chiến đến những học sinh hôm nay khám phá trí tuệ nhân tạo là một hành trình dài. Thời gian đổi thay, hành trang đến lớp cũng khác, nhưng khát vọng học hỏi, khám phá và vươn tới chân trời tri thức vẫn được trao truyền qua nhiều thế hệ ở Cầu Giấy.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/10/2026: Tuổi Tỵ công việc thuận lợi, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/10/2026: Tuổi Tỵ công việc thuận lợi, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

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 07/10/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Xu hướng phát triển nền tảng tính toán AI tự chủ tại Trung Quốc

Xu hướng phát triển nền tảng tính toán AI tự chủ tại Trung Quốc

Sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) đang khiến cạnh tranh công nghệ chuyển từ cuộc đua về hiệu năng chip sang xây dựng toàn bộ hệ sinh thái tính toán, trong đó bao gồm phần cứng, ngôn ngữ lập trình, thư viện phần mềm và hạ tầng kết nối.
Sạc nguyên khối và cập nhật OTA: Xe máy điện Việt đang "thông minh hóa" ra sao?

Sạc nguyên khối và cập nhật OTA: Xe máy điện Việt đang "thông minh hóa" ra sao?

Tích hợp sạc nguyên khối, cập nhật phần mềm OTA và hệ truyền động 7.000W, xe máy điện thế hệ mới đang tái định hình chuẩn mực công nghệ di chuyển xanh.
Nhận định phiên giao dịch ngày 6/10: Duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, tránh tâm lý mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 6/10: Duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, tránh tâm lý mua đuổi

VN-Index hồi phục 15 điểm trong phiên 5/10 nhưng dòng tiền chưa thực sự lan tỏa, trong khi các chỉ báo kỹ thuật vẫn cho thấy trạng thái thận trọng. Nhà đầu tư ngắn hạn được khuyến nghị duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, hạn chế mua đuổi và ưu tiên giao dịch trong vùng 1.750-1.780 điểm.
Infineon mở rộng đầu tư tại Việt Nam, tăng gấp đôi đội ngũ nghiên cứu phát triển

Infineon mở rộng đầu tư tại Việt Nam, tăng gấp đôi đội ngũ nghiên cứu phát triển

Infineon Technologies vừa khai trương văn phòng mới tại TP HCM, đồng thời đặt kế hoạch tăng gấp đôi quy mô đội ngũ nghiên cứu và phát triển (R&D) tại thành phố trong hai năm tới, tập trung vào các công nghệ bán dẫn cho lĩnh vực ôtô.
Thị trường chứng khoán ngày 5/10: VIC kéo chỉ số, VN Index cắt mạch 5 phiên giảm

Thị trường chứng khoán ngày 5/10: VIC kéo chỉ số, VN Index cắt mạch 5 phiên giảm

Sau chuỗi 5 phiên giảm liên tiếp, thị trường đã có sự hồi phục khi nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn, đặc biệt VIC, trở lại dẫn dắt. VN Index tăng hơn 15 điểm, nhưng thanh khoản vẫn thấp và khối ngoại tiếp tục bán ròng, cho thấy nhịp hồi hiện tại mới nghiêng về phục hồi kỹ thuật hơn là tín hiệu xác nhận xu hướng giảm đã kết thúc.
master