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
Từ “cỗ máy ngốn điện” trở thành khách hàng linh hoạt của lưới điện

Từ “cỗ máy ngốn điện” trở thành khách hàng linh hoạt của lưới điện

Câu chuyện trung tâm dữ liệu AI (Data Center AI) tiêu tốn điện năng không còn là câu chuyện mới. Vấn đề nằm ở chỗ hàng chục, thậm chí hàng trăm megawatt ấy xuất hiện vào lúc nào, tập trung ở đâu, linh hoạt đến đâu và có thể “đi cùng nhịp” với lưới điện hay không? Cùng TĐHNN thử đi tìm lời giải cho những câu hỏi này.
Bộ Chính trị đặt mục tiêu đến 2030 du lịch đóng góp 10 - 12% GDP, đón 45 - 50 triệu khách quốc tế

Bộ Chính trị đặt mục tiêu đến 2030 du lịch đóng góp 10 - 12% GDP, đón 45 - 50 triệu khách quốc tế

Nghị quyết 26-NQ/TW của Bộ Chính trị đặt mục tiêu đưa du lịch thực sự trở thành ngành kinh tế mũi nhọn trong kỷ nguyên mới, chuyển trọng tâm từ tăng trưởng dựa vào số lượng sang chất lượng, giá trị gia tăng và phát triển bền vững.
Biến dữ liệu thành sự cải tiến liên tục

Biến dữ liệu thành sự cải tiến liên tục

Mitsubishi Electric giới thiệu GENESIS, bộ phần mềm tự động hóa SCADA thế hệ mới được phát triển nhằm hỗ trợ các nhà sản xuất xây dựng môi trường sản xuất kết nối, linh hoạt và dựa trên dữ liệu. Nền tảng tích hợp khả năng điều khiển, lưu trữ dữ liệu lịch sử, phân tích, trực quan hóa và kết nối trực tiếp với các sản phẩm tự động hóa của Mitsubishi Electric.
Honor âm thầm ra mắt smartphone pin 8.100 mAh, chống nước IP69K, có phím AI riêng

Honor âm thầm ra mắt smartphone pin 8.100 mAh, chống nước IP69K, có phím AI riêng

Honor vừa âm thầm giới thiệu Honor 600S 5G, mẫu smartphone tầm trung gây chú ý với viên pin 8.100 mAh, khả năng chống nước chống bụi chuẩn IP69K và loạt tính năng AI được tích hợp ngay trên máy.
Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: Nắm giữ cổ phiếu còn duy trì xu hướng tích lũy

Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: Nắm giữ cổ phiếu còn duy trì xu hướng tích lũy

Sau phiên điều chỉnh đầu tháng 9, VN-Index được dự báo sẽ tiếp tục rung lắc và tích lũy trong vùng 1.820-1.840 điểm. Nhà đầu tư nên ưu tiên nắm giữ những cổ phiếu còn duy trì được nền tích lũy hoặc xu hướng tăng, đồng thời chủ động hạ tỷ trọng tại các mã suy yếu.
Quỹ Nafosted đặt hàng 40 robot tự hành vệ sinh đô thị

Quỹ Nafosted đặt hàng 40 robot tự hành vệ sinh đô thị

Không phải một nguyên mẫu đơn lẻ, Việt Nam đang đặt hàng một “đội quân” gồm 40 robot di động tự hành cùng hệ thống trạm hỗ trợ và nền tảng điều phối thông minh, nhằm ứng dụng vào vệ sinh môi trường đô thị. Đây cũng là nhiệm vụ đặt hàng đầu tiên thuộc chương trình đặc biệt về công nghệ chiến lược.
K9 Đá Chông - Nơi ký ức Người còn mãi

K9 Đá Chông - Nơi ký ức Người còn mãi

Kỷ niệm 81 năm Quốc khánh 2/9 (2/9/1945 - 2/9/2026), trở về K9 Đá Chông giữa núi rừng Ba Vì, những dấu tích gắn với Chủ tịch Hồ Chí Minh vẫn được gìn giữ như một phần ký ức đặc biệt của dân tộc. Trong ngày lịch sử, nơi đây thêm trang nghiêm với lễ dâng hoa, dâng hương tưởng niệm Người của Quân ủy Trung ương, Bộ Quốc phòng.
Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm phát biểu tại Hội nghị toàn quốc quán triệt, triển khai nghị quyết, chỉ thị của Bộ Chính trị

Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm phát biểu tại Hội nghị toàn quốc quán triệt, triển khai nghị quyết, chỉ thị của Bộ Chính trị

Sáng 3/9, Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm có bài phát biểu quan trọng chỉ đạo Hội nghị toàn quốc nghiên cứu, học tập, quán triệt và triển khai thực hiện một số nghị quyết, chỉ thị của Bộ Chính trị. Tạp chí Tự động hóa Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn phát biểu của đồng chí Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 4/9/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Mùi nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 4/9/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Mùi 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 4/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Thị trường chứng khoán ngày 03/9: VN Index đứt chuỗi 7 phiên tăng, ngân hàng và chứng khoán chìm trong sắc đỏ

Thị trường chứng khoán ngày 03/9: VN Index đứt chuỗi 7 phiên tăng, ngân hàng và chứng khoán chìm trong sắc đỏ

VN Index giảm 4,4 điểm trong phiên đầu tiên sau kỳ nghỉ lễ, chấm dứt chuỗi 7 phiên tăng liên tiếp. Tuy nhiên, độ rộng thị trường lại kém tích cực khi có hơn 230 mã giảm giá, ngân hàng và chứng khoán chịu sức ép lớn, trong khi dầu khí, phân bón cùng cổ phiếu VIC và SSB trở thành những điểm sáng hiếm hoi.