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
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Mão nên thận trọng công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Mão 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 19/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Tự động hóa ngành in - bao bì: Không thể chỉ “mua máy” để đi vào nhà máy thông minh

Tự động hóa ngành in - bao bì: Không thể chỉ “mua máy” để đi vào nhà máy thông minh

Áp lực đơn hàng nhỏ hơn, nhiều mã sản phẩm hơn, thời gian giao hàng ngắn hơn trong khi yêu cầu về chất lượng, chi phí và phát triển bền vững ngày càng cao đang buộc doanh nghiệp in - bao bì phải thay đổi cách vận hành.
Trung Quốc vận hành nhà máy sản xuất 10.000 robot hình người mỗi năm

Trung Quốc vận hành nhà máy sản xuất 10.000 robot hình người mỗi năm

Trung Quốc đã tiến một bước lớn hướng tới sản xuất robot hình người thương mại sau khi UBTECH bắt đầu vận hành nhà máy sản xuất robot hình người công nghiệp mới tại Lưu Châu, Quảng Tây, ngày 12/9.
Mục tiêu hình thành 500 startup từ kết quả nghiên cứu

Mục tiêu hình thành 500 startup từ kết quả nghiên cứu

Chương trình quốc gia về khởi nghiệp sáng tạo giai đoạn 2026-2035 đặt mục tiêu hình thành tối thiểu 500 doanh nghiệp khởi nghiệp dựa trên công nghệ, kết quả nghiên cứu và quyền sở hữu trí tuệ, góp phần thúc đẩy thương mại hóa các kết quả nghiên cứu.
Sinh viên chinh phục khuôn mẫu từ bản vẽ đến sản xuất

Sinh viên chinh phục khuôn mẫu từ bản vẽ đến sản xuất

Đội BKADLab của Đại học Bách khoa Hà Nội giành Quán quân hạng mục Khuôn dập, trong khi 3CSLab cũng của trường này giành Quán quân hạng mục Khuôn nhựa tại Cuộc thi Khuôn mẫu Việt Nam 2026 (Vietnam Mold Grand Prix).
Vinamilk Sure đồng hành cùng người cao tuổi chủ động sống khỏe

Vinamilk Sure đồng hành cùng người cao tuổi chủ động sống khỏe

Hơn 2.000 người cao tuổi cùng hòa mình trong màn đồng diễn tại Hà Nội, lan tỏa tinh thần “Chủ động sống khỏe - Rực rỡ tuổi hoàng kim”. Đồng hành cùng chương trình, Vinamilk và nhãn hàng Vinamilk Sure mang đến các hoạt động tư vấn sức khỏe, dinh dưỡng, tiếp tục hành trình nhiều năm cùng người cao tuổi Việt Nam sống khỏe, sống vui và tận hưởng trọn vẹn những năm tháng đáng quý của cuộc đời.
Thị trường chứng khoán ngày 18/9: Chứng khoán hưởng ứng tin nâng hạng, VN Index vẫn đảo chiều cuối phiên

Thị trường chứng khoán ngày 18/9: Chứng khoán hưởng ứng tin nâng hạng, VN Index vẫn đảo chiều cuối phiên

VN Index mở cửa đầy hưng phấn trước thông tin nâng hạng nhưng cuối phiên bất ngờ quay đầu giảm hơn 7 điểm. Thanh khoản vọt lên gần 26 nghìn tỷ đồng khi ETF cơ cấu mạnh, tạo nên một phiên giằng co dữ dội dù sắc xanh vẫn lấn át trên bảng điện.
Cen Land tiếp tục chuỗi động thái rút vốn khỏi các công ty con

Cen Land tiếp tục chuỗi động thái rút vốn khỏi các công ty con

CTCP Bất động sản Thế kỷ (Cen Land) vừa thông báo không còn sở hữu tại Công ty TNHH Quản lý đối tác Liên Kết Cen, qua đó chính thức chấm dứt quyền kiểm soát đối với hệ sinh thái gồm 17 doanh nghiệp gián tiếp.
UniHackfest 2026: Từ trải nghiệm thực chiến đến những sản phẩm công nghệ có giá trị

UniHackfest 2026: Từ trải nghiệm thực chiến đến những sản phẩm công nghệ có giá trị

Không chỉ tạo ra một sân chơi công nghệ, UniHackfest 2026 hướng sinh viên đến quá trình phát triển sản phẩm trong điều kiện gần với thực tế doanh nghiệp, từ xác định vấn đề, nghiên cứu người dùng, xây dựng nguyên mẫu đến tiếp nhận phản hồi và tìm kiếm cơ hội đưa sản phẩm ra thị trường.
Mở khóa dữ liệu, thúc đẩy tăng trưởng: TP. Hồ Chí Minh trước cơ hội từ AI và DeepTech

Mở khóa dữ liệu, thúc đẩy tăng trưởng: TP. Hồ Chí Minh trước cơ hội từ AI và DeepTech

Từ tài chính, logistics đến sản xuất công nghệ cao, những nội dung được đặt ra tại Tech4Life 2026 cho thấy AI, dữ liệu và tự động hóa đang bước sang một giai đoạn mới: không còn chỉ là công cụ số hóa quy trình, mà trở thành hạ tầng để tái cấu trúc phương thức vận hành, phân bổ nguồn lực và tạo ra năng lực tăng trưởng mới.