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
BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) đang thúc đẩy hợp tác với Công ty TNHH Đầu tư công nghệ sinh học SDIC (SDIC Biotech) nhằm tăng cường nguồn cung ethanol phục vụ sản xuất xăng E10, đồng thời tìm kiếm cơ hội hợp tác trong các lĩnh vực nhiên liệu sinh học và năng lượng xanh.
Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương được cấp hạn mức tín dụng hơn 11.000 tỷ đồng

Tập đoàn Đạt Phương vừa phê duyệt các giao dịch tín dụng với tổng hạn mức hơn 11.100 tỷ đồng tại 4 ngân hàng.
VietnamPrintPack 2026 thúc đẩy tự động hóa và chuyển đổi xanh ngành in, bao bì

VietnamPrintPack 2026 thúc đẩy tự động hóa và chuyển đổi xanh ngành in, bao bì

Triển lãm VietnamPrintPack 2026 diễn ra từ ngày 16 - 19/9 tại TP. Hồ Chí Minh, quy tụ gần 300 doanh nghiệp đến từ 13 quốc gia và vùng lãnh thổ, giới thiệu nhiều giải pháp về tự động hóa, AI, công nghệ in kỹ thuật số, bao bì thông minh và vật liệu bền vững.
Bà Nguyễn Thị Lâm Giang giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số

Bà Nguyễn Thị Lâm Giang giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số

Bà Nguyễn Thị Lâm Giang được Bộ Công Thương bổ nhiệm giữ chức Cục trưởng Cục Khoa học, Công nghệ và Chuyển đổi số từ ngày 15/9/2026, trong bối cảnh đơn vị mới được kiện toàn để thực hiện chức năng quản lý nhà nước về khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số trong ngành Công Thương.
Thị trường chứng khoán ngày 16/9: Chỉ số giằng co trên nền thanh khoản thấp

Thị trường chứng khoán ngày 16/9: Chỉ số giằng co trên nền thanh khoản thấp

VN Index gần như đi ngang trong phiên 16/9 khi thị trường thiếu nhóm dẫn dắt rõ ràng. Dầu khí hạ nhiệt, chứng khoán và bất động sản suy yếu, trong khi thanh khoản chỉ còn hơn 14,8 nghìn tỷ đồng cho thấy tâm lý thận trọng đang chi phối dòng tiền.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/9/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Hợi nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 17/9/2026: Tuổi Dần tài lộc khởi sắc, tuổi Hợi 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 17/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Không chỉ mua robot, doanh nghiệp Việt cần làm chủ năng lực tự động hóa

Không chỉ mua robot, doanh nghiệp Việt cần làm chủ năng lực tự động hóa

Robot và tự động hóa đang trở thành một trong những yếu tố quyết định năng lực cạnh tranh của sản xuất. Tuy nhiên, khi công nghệ ngày càng dễ tiếp cận, bài toán đặt ra với doanh nghiệp Việt Nam không còn đơn thuần là có đầu tư robot hay không, mà là làm thế nào để công nghệ thực sự tạo ra năng suất, tính linh hoạt và giá trị dài hạn.
Kỳ 7: Net-zero không nằm trên khẩu hiệu

Kỳ 7: Net-zero không nằm trên khẩu hiệu

Net-zero là một cụm từ đẹp, đầy ý nghĩa, giống như khúc khải hoàn của hành trình Xanh. Trên hành trình ấy, một chiếc xe điện chỉ thật sự xanh hơn khi nhà máy làm ra nó, điện năng nuôi nó, vật liệu cấu thành nó, chuỗi cung ứng phục vụ nó và cách nó được thu hồi cuối vòng đời cùng bước vào kỷ luật giảm phát thải. Mà kỷ luật ấy không sống trong khẩu hiệu. Nó sống trong đo lường, kiểm toán và công bố tiến độ.
Nhận định phiên giao dịch ngày 16/9: Duy trì tỷ trọng trung bình, tránh mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 16/9: Duy trì tỷ trọng trung bình, tránh mua đuổi

Sau phiên hồi phục mạnh ngày 15/9, thị trường chứng khoán đang phát đi những tín hiệu tích cực hơn khi dòng tiền lan tỏa rộng và lực cầu chiếm ưu thế. Tuy nhiên, các chỉ báo kỹ thuật vẫn chưa xác nhận rõ xu hướng tăng, do đó nhà đầu tư ngắn hạn được khuyến nghị duy trì tỷ trọng trung bình và tránh mua đuổi.
PV GAS kiện toàn lãnh đạo, hướng tới giai đoạn tăng trưởng mới

PV GAS kiện toàn lãnh đạo, hướng tới giai đoạn tăng trưởng mới

Tổng công ty Khí Việt Nam (PV GAS) vừa kiện toàn các vị trí lãnh đạo chủ chốt nhiệm kỳ 2026-2031, trong đó ông Bùi Minh Tiến được bầu giữ chức Chủ tịch HĐQT và ông Dương Trí Hội được bổ nhiệm làm Tổng Giám đốc.