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
Ra mắt Hệ thống thông tin quốc gia về khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo

Ra mắt Hệ thống thông tin quốc gia về khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo

Ngày 11/9, Bộ Khoa học và Công nghệ tổ chức Lễ ra mắt Hệ thống thông tin quốc gia về khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo. Cục Thông tin, Thống kê và Đánh giá khoa học là đơn vị được giao chủ trì xây dựng, vận hành hệ thống.
Thị trường chứng khoán ngày 11/9: Sắc đỏ phủ kín bảng điện tử, VN Index mất mốc 1.800 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 11/9: Sắc đỏ phủ kín bảng điện tử, VN Index mất mốc 1.800 điểm

Mốc 1.800 điểm cuối cùng cũng không thể đứng vững khi hơn 280 cổ phiếu đồng loạt giảm giá. VN Index mất hơn 34 điểm với thanh khoản bất ngờ tăng mạnh và khối ngoại đẩy mạnh bán ròng, khép lại một tuần giao dịch đầy sức ép.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/9/2026: Tuổi Mão tài lộc khởi sắc, tuổi Tỵ nên tránh chủ quan

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/9/2026: Tuổi Mão tài lộc khởi sắc, tuổi Tỵ nên tránh chủ quan

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 12/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Festival Thăng Long - Hà Nội: Đưa di sản vào dòng chảy sáng tạo

Festival Thăng Long - Hà Nội: Đưa di sản vào dòng chảy sáng tạo

Tối 11/9, tại Hoàng thành Thăng Long, Festival Thăng Long - Hà Nội lần thứ II, năm 2026 với chủ đề “Dòng chảy di sản - Heritage Flow” sẽ chính thức khai mạc. Tại nhiều không gian văn hóa, di sản tiêu biểu của Thủ đô, Festival kết nối các giá trị văn hóa truyền thống với nghệ thuật đương đại, công nghệ và sức sáng tạo, lan tỏa di sản đến người dân, du khách và bạn bè quốc tế.
Khi robot thông minh cần một “đôi tay” đủ linh hoạt

Khi robot thông minh cần một “đôi tay” đủ linh hoạt

Trí tuệ nhân tạo vật lý (Physical AI) đang mở ra một hướng phát triển mới cho robot công nghiệp, với khả năng cảm nhận, hành động và thích nghi trực tiếp trong môi trường thực tế. Thay vì phải lập trình chuyên biệt cho từng nhiệm vụ, robot có thể tận dụng các mô hình AI được đào tạo trên lượng dữ liệu lớn để xử lý nhiều tình huống biến đổi hơn.
iPhone Duo chính thức ra mắt: iPhone màn hình gập đầu tiên của Apple, giá cao nhất 104 triệu đồng

iPhone Duo chính thức ra mắt: iPhone màn hình gập đầu tiên của Apple, giá cao nhất 104 triệu đồng

Sau nhiều năm được đồn đoán, Apple chính thức bước vào cuộc đua smartphone màn hình gập với iPhone Duo. Mẫu máy gây chú ý với thiết kế mỏng nhất lịch sử iPhone, màn hình mở rộng 7,6 inch, chip A20 Pro và mức giá tại Việt Nam lên tới 104 triệu đồng cho bản 2TB.
Nhận định phiên giao dịch ngày 11/9: Nắm giữ các cổ phiếu duy trì được xu hướng tích lũy

Nhận định phiên giao dịch ngày 11/9: Nắm giữ các cổ phiếu duy trì được xu hướng tích lũy

VN-Index tiếp tục đi ngang trong trạng thái giằng co và phân hóa mạnh. Trong bối cảnh thanh khoản suy giảm, nhà đầu tư nên ưu tiên nắm giữ những cổ phiếu còn duy trì được xu hướng tích lũy, đồng thời chủ động bán ra các mã suy yếu về giá.
HI-TECH VIETNAM 2026: Kết nối công nghệ, mở rộng thị trường

HI-TECH VIETNAM 2026: Kết nối công nghệ, mở rộng thị trường

Sáng 9/9, tại Trung tâm Triển lãm Việt Nam (VEC), Đông Anh, Hà Nội, Chuỗi triển lãm quốc tế Công nghệ cao, UAV, AI, Robot và Kinh tế số Việt Nam - HI-TECH VIETNAM 2026 chính thức khai mạc trong khuôn khổ Tuần lễ Công nghiệp và Công nghệ Việt Nam 2026 (VIIF 2026).
CD Restop phát triển hệ sinh thái điểm dừng gắn với trạm sạc và năng lượng sạch

CD Restop phát triển hệ sinh thái điểm dừng gắn với trạm sạc và năng lượng sạch

CD Restop cùng SPT Group, DTH Holdings, Coro Energy và các đối tác ký bốn thỏa thuận, hướng đến phát triển mạng lưới điểm dừng chân kết hợp trạm sạc, năng lượng sạch, chuyển đổi số và tiện ích an sinh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/9/2026: Tuổi Hợi vận trình hanh thông, tuổi Dần nên thận trọng quyết định

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/9/2026: Tuổi Hợi vận trình hanh thông, tuổi Dần 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 11/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.