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
An ninh tích hợp nhiều lớp tăng cường khả năng phát hiện và ứng phó mối đe dọa

An ninh tích hợp nhiều lớp tăng cường khả năng phát hiện và ứng phó mối đe dọa

Trước sự gia tăng của các mối đe dọa an ninh, các tổ chức đang chuyển từ những hệ thống giám sát đơn lẻ sang mô hình an ninh tích hợp nhiều lớp. Tại Triển lãm & Hội nghị An ninh, Teledyne FLIR giới thiệu cách kết hợp hình ảnh nhiệt, camera quang học, radar, trí tuệ nhân tạo (AI) và phần mềm thông minh nhằm nâng cao khả năng phát hiện sớm, nhận thức tình huống và tốc độ phản ứng.
Cận cảnh khối động cơ và công nghệ pin giúp Honda Super-One lập kỷ lục chốt đơn

Cận cảnh khối động cơ và công nghệ pin giúp Honda Super-One lập kỷ lục chốt đơn

Theo dữ liệu từ chuyên trang Drive, mẫu ô tô điện đô thị Honda Super-One vừa tạo nên một hiện tượng hiếm thấy tại thị trường Australia khi toàn bộ lô xe phân bổ đợt đầu gồm 125 chiếc đã được khách hàng đặt cọc kín chỉ sau vài giờ mở bán.
Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: Nắm giữ cổ phiếu đang hút dòng tiền

Nhận định phiên giao dịch ngày 4/9: Nắm giữ cổ phiếu đang hút dòng tiền

Sau kỳ nghỉ lễ, thị trường chứng khoán được kỳ vọng tiếp tục duy trì xu hướng hồi phục, trong bối cảnh VN-Index đã lấy lại đường MA20 tuần và dòng tiền đang tập trung tại một số nhóm cổ phiếu dẫn dắt. Nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên nắm giữ các cổ phiếu đang thu hút dòng tiền, đồng thời chủ động bán những mã có dấu hiệu suy yếu.
Hà Nội ngày Quốc khánh: Lăng Bác rực sắc áo dài, bạn trẻ rộn ràng bên Hồ Gươm

Hà Nội ngày Quốc khánh: Lăng Bác rực sắc áo dài, bạn trẻ rộn ràng bên Hồ Gươm

Ngày 1/9, không khí Quốc khánh hiện diện ở nhiều góc phố Hà Nội: những tà áo dài và lá cờ đỏ tại Lăng Bác, dòng người xếp hàng vào Hỏa Lò hay các nhóm bạn trẻ rộn ràng bên Hồ Gươm.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 3/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Dậu cần tránh chủ quan

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 3/9/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Dậu cần 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 3/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
81 năm Quốc khánh: Từ nền độc lập đến năng lực tự chủ trong kỷ nguyên công nghệ

81 năm Quốc khánh: Từ nền độc lập đến năng lực tự chủ trong kỷ nguyên công nghệ

Sau 81 năm kể từ ngày 2/9/1945, Việt Nam đang bước vào một giai đoạn phát triển mới, trong đó sức mạnh quốc gia không chỉ được đo bằng quy mô kinh tế mà còn bằng năng lực làm chủ công nghệ, năng suất, hạ tầng năng lượng, chất lượng nhân lực và khả năng tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu.
Chuyển đổi số tăng tốc: Từ xây dựng hệ thống sang đo hiệu quả vận hành

Chuyển đổi số tăng tốc: Từ xây dựng hệ thống sang đo hiệu quả vận hành

Sau hơn một năm tám tháng triển khai Nghị quyết số 57-NQ/TW, chuyển đổi số quốc gia đang chuyển trọng tâm từ xây dựng thể chế, hạ tầng và nền tảng sang khai thác dữ liệu, kết nối hệ thống và tạo ra hiệu quả có thể đo lường.
Quản trị cá nhân

Quản trị cá nhân

Ngày nay, hằng năm đến dịp đầu tháng 9, trái tim người Việt Nam lại vang lên những câu chữ bất hủ của Chủ tịch Hồ Chí Minh trong bản Tuyên ngôn Độc lập năm 1945: “Tất cả mọi người đều sinh ra có quyền bình đẳng. Tạo hóa cho họ những quyền không ai có thể xâm phạm được; trong những quyền ấy, có quyền được sống, quyền tự do và quyền mưu cầu hạnh phúc”. Tuyên ngôn này chính là Sợi chỉ đỏ xuyên suốt và là mục tiêu tối thượng của hệ thống vĩ mô và của một Nhà nước “Dân giàu, nước mạnh, dân chủ, công bằng, văn minh".
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 2/9/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Tý nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 2/9/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Tý 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 2/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Đẩy mạnh phát triển công nghệ chiến lược, AI và hạ tầng số

Đẩy mạnh phát triển công nghệ chiến lược, AI và hạ tầng số

Bộ KH&CN đang tiếp tục triển khai đồng bộ các nhiệm vụ về hoàn thiện thể chế, phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số quốc gia, tập trung vào công nghệ chiến lược, trí tuệ nhân tạo (AI), hạ tầng số và công nghiệp công nghệ số.