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
Rapper Kimmese cùng những giai điệu đa sắc màu tại đêm nhạc hội “Wings Up 2026: Vĩnh Ân”

Rapper Kimmese cùng những giai điệu đa sắc màu tại đêm nhạc hội “Wings Up 2026: Vĩnh Ân”

Ngày 03/11, đêm nhạc hội Wings Up 2026: Vĩnh Ân đã diễn ra trong không khí sôi động và bùng nổ với sự góp mặt của nữ rapper Kimmese.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

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 07/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

Ngày hội Trí tuệ nhân tạo Việt Nam (AI4VN 2026) không chỉ là diễn đàn kết nối nhà quản lý, chuyên gia, doanh nghiệp và giới nghiên cứu, mà còn mở ra cơ hội để sinh viên tiếp cận những xu hướng công nghệ mới, khơi dậy đam mê nghiên cứu và khát vọng làm chủ trí tuệ nhân tạo (AI).
Quốc hội vì nhân dân, quyết sách vì tương lai đất nước

Quốc hội vì nhân dân, quyết sách vì tương lai đất nước

Kỷ niệm 80 năm Ngày Quốc hội Việt Nam thông qua bản Hiến pháp đầu tiên (9/11/1946 - 9/11/2026), Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm nhấn mạnh yêu cầu phát huy vai trò của Quốc hội trong đại diện cho ý chí, nguyện vọng của nhân dân; nâng cao chất lượng xây dựng pháp luật, giám sát và quyết định các vấn đề quan trọng của đất nước, bảo đảm mỗi quyết sách đều hướng tới lợi ích quốc gia, dân tộc và mở rộng cơ hội phát triển cho các thế hệ mai sau.
Xây dựng hồ sơ đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO cho Phong Nha - Kẻ Bàng

Xây dựng hồ sơ đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO cho Phong Nha - Kẻ Bàng

Trong thời gian tới, tỉnh Quảng Trị định hướng phát triển Phong Nha - Kẻ Bàng trở thành khu du lịch quốc gia theo hướng xanh, có trách nhiệm và bền vững; nghiên cứu lộ trình đề cử Công viên địa chất toàn cầu UNESCO trên cơ sở đáp ứng đầy đủ các tiêu chuẩn cần thiết.
Hà Nội đề xuất hỗ trợ hộ nghèo tối đa 20 triệu đồng khi đổi xe máy điện

Hà Nội đề xuất hỗ trợ hộ nghèo tối đa 20 triệu đồng khi đổi xe máy điện

Hộ nghèo tại Hà Nội có thể được hỗ trợ 100% giá trị xe máy điện mới hoặc tối đa 20 triệu đồng, khi chuyển đổi từ phương tiện sử dụng xăng, dầu sang phương tiện giao thông xanh.
Physical AI: Phần cứng điện toán biên - nền tảng cho tự động hóa công nghiệp thông minh

Physical AI: Phần cứng điện toán biên - nền tảng cho tự động hóa công nghiệp thông minh

Trí tuệ nhân tạo vật lý (Physical AI) đang mở ra bước tiến mới cho tự động hóa công nghiệp, từ robot tự hành, hệ thống thị giác máy đến các dây chuyền xử lý vật liệu thông minh. Tuy nhiên, để đưa những công nghệ này từ môi trường thử nghiệm vào vận hành thực tế, doanh nghiệp không chỉ cần các thuật toán AI tiên tiến mà còn phải có nền tảng phần cứng đủ mạnh, ổn định và đáp ứng yêu cầu xử lý thời gian thực.
Vì sao điện thoại thông minh, máy tính đã qua sử dụng bị cấm nhập khẩu?

Vì sao điện thoại thông minh, máy tính đã qua sử dụng bị cấm nhập khẩu?

Nhiều sản phẩm công nghệ số đã qua sử dụng như điện thoại thông minh, máy tính, máy ảnh kỹ thuật số, cùng nhiều thiết bị và linh kiện điện tử thuộc danh mục cấm nhập khẩu. Quy định nhằm đồng bộ hệ thống pháp luật, bảo vệ người tiêu dùng, hạn chế rác thải điện tử và rủi ro mất an toàn thông tin, đồng thời tạo điều kiện phát triển thị trường và doanh nghiệp trong nước.
Nhận định phiên giao dịch ngày 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

Nhận định phiên giao dịch ngày 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

VN-Index hồi phục trong phiên 5/11 nhờ lực cầu bắt đáy gia tăng, song xu hướng điều chỉnh ngắn hạn vẫn chưa được xác nhận kết thúc. Nhà đầu tư được khuyến nghị cân bằng danh mục và chỉ xem xét gia tăng tỷ trọng khi chỉ số vượt lên xu hướng giảm giá ngắn hạn.
Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Vinamilk Optimum Gold được vinh danh Thương hiệu của năm (Brand of the Year) tại Lễ trao giải Thương hiệu Thế giới 2026 - 2027 (World Branding Awards 2026 - 2027) diễn ra ở Vương quốc Anh, là đại diện duy nhất của Việt Nam chiến thắng ở hạng mục sữa công thức trẻ em (Infant Formula). Giữa những yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và sự an toàn của sản phẩm dinh dưỡng dành cho trẻ nhỏ, giải thưởng quốc tế ghi nhận uy tín thương hiệu và những nỗ lực không ngừng nâng chuẩn dinh dưỡng của Vinamilk.
master