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
Cảnh báo về nguy cơ AI vượt tầm kiểm soát của con người

Cảnh báo về nguy cơ AI vượt tầm kiểm soát của con người

Các công ty trí tuệ nhân tạo hàng đầu thế giới ngày 23/9 đã cảnh báo Hội đồng Bảo an Liên hợp quốc về những rủi ro mà AI có thể gây ra cho nhân loại, đồng thời kêu gọi các chính phủ hợp tác để quản lý công nghệ ngày càng mạnh mẽ này.
Ngày hội Đổi mới sáng tạo quốc gia 2026: Kết nối nguồn lực, thúc đẩy công nghệ

Ngày hội Đổi mới sáng tạo quốc gia 2026: Kết nối nguồn lực, thúc đẩy công nghệ

Theo Nghị định số 268/2025/NĐ-CP ngày 14/10/2025 của Chính phủ, ngày 1/10 hằng năm là Ngày hội Đổi mới sáng tạo quốc gia (INNOVATION DAY) do Bộ Khoa học và Công nghệ chủ trì. Quy định này nhằm tạo một dấu mốc thường niên để lan tỏa tinh thần đổi mới sáng tạo trong xã hội, đồng thời thúc đẩy ứng dụng, phát triển và thương mại hóa công nghệ.
Thị trường chứng khoán ngày 25/9: VN Index tăng hơn 10 điểm, cổ phiến họ Vin dẫn dắt nhịp hồi phục

Thị trường chứng khoán ngày 25/9: VN Index tăng hơn 10 điểm, cổ phiến họ Vin dẫn dắt nhịp hồi phục

VN Index tăng 10,02 điểm nhờ sự hồi phục mạnh của nhóm bất động sản và một số cổ phiếu vốn hóa lớn. Tuy nhiên, thanh khoản tiếp tục suy giảm và số mã giảm vẫn áp đảo, cho thấy thị trường chưa hoàn toàn thoát khỏi trạng thái thận trọng.
Vinamilk được giới đầu tư ghi nhận nhờ cam kết tạo giá trị dài hạn

Vinamilk được giới đầu tư ghi nhận nhờ cam kết tạo giá trị dài hạn

Vượt qua quá trình khảo sát gần 700 doanh nghiệp đang niêm yết, Vinamilk được vinh danh ở hai hạng mục quan trọng của IR Awards 2026, gồm “Website IR được Nhà đầu tư yêu thích nhất” và “Hoạt động IR được Định chế tài chính đánh giá cao nhất” trong nhóm doanh nghiệp vốn hóa lớn phi tài chính. Diễn ra đúng cột mốc 50 năm thành lập, kết quả tiếp tục ghi nhận những nỗ lực của doanh nghiệp trong minh bạch thông tin, nâng cao khả năng tiếp cận và xây dựng niềm tin với thị trường vốn.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/9/2026: Tuổi Dậu vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ nên thận trọng công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 26/9/2026: Tuổi Dậu vận trình khởi sắc, tuổi Tỵ nên thận trọng công việc

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 26/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
LPS lên kế hoạch huy động 400 tỷ đồng qua trái phiếu

LPS lên kế hoạch huy động 400 tỷ đồng qua trái phiếu

CTCP Chứng khoán LPS (Mã: LPS) vừa thông qua phương án phát hành riêng lẻ 400 tỷ đồng trái phiếu không tài sản bảo đảm nhằm bổ sung nguồn vốn cho hoạt động kinh doanh cốt lõi trong năm 2026.
PVcombank báo lãi trước thuế hơn 1.000 tỷ đồng trong nửa đầu năm 2026

PVcombank báo lãi trước thuế hơn 1.000 tỷ đồng trong nửa đầu năm 2026

Nhờ sự cải thiện của hoạt động kinh doanh cốt lõi, trong 6 tháng đầu năm 2026, lợi nhuận trước thuế tại PVcombank đạt 1.023 tỷ đồng, tăng 26% so với cùng kỳ năm trước và tiếp tục củng cố vững chắc nền tảng hoạt động.
Nhà máy Mỹ tăng tốc tự động hóa nhưng đang đối mặt với một “nút thắt” khác

Nhà máy Mỹ tăng tốc tự động hóa nhưng đang đối mặt với một “nút thắt” khác

Làn sóng đầu tư mới đang thúc đẩy ngành sản xuất Mỹ mở rộng nhà máy, sản xuất chip, pin, robot, tàu biển và thiết bị quốc phòng. Tuy nhiên, bên cạnh bài toán thiếu lao động, một thách thức ít được chú ý đang ngày càng rõ nét: làm thế nào để giữ lại tri thức và kinh nghiệm vận hành khi lực lượng lao động già hóa và các chuyên gia lần lượt nghỉ việc?
Hà Nội hỗ trợ lắp điện mặt trời mái nhà: Để chính sách đi vào cuộc sống

Hà Nội hỗ trợ lắp điện mặt trời mái nhà: Để chính sách đi vào cuộc sống

Chính sách hỗ trợ tối đa 6 triệu đồng cho mỗi hộ lắp điện mặt trời mái nhà và hệ thống lưu trữ được kỳ vọng tạo thêm động lực phát triển nguồn điện tại chỗ. Tuy nhiên, với người dân, quyết định đầu tư không chỉ phụ thuộc khoản hỗ trợ mà còn liên quan đến chi phí ban đầu, thời gian hoàn vốn, chất lượng thiết bị và an toàn vận hành.
Nhận định phiên giao dịch ngày 25/9: Giữ danh mục, hạn chế việc bắt đáy thêm

Nhận định phiên giao dịch ngày 25/9: Giữ danh mục, hạn chế việc bắt đáy thêm

Áp lực điều chỉnh tiếp tục gia tăng khiến VN-Index rời xa mốc 1.800 điểm. Trong bối cảnh lực cầu chưa đủ mạnh, nhà đầu tư nên duy trì danh mục hiện tại, hạn chế bắt đáy và chờ tín hiệu tích cực rõ hơn tại các vùng hỗ trợ.