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
[E-Magazine] Nâng cao sức đề kháng cho giới trẻ trước tác động của “Rác AI” trong thời đại số

[E-Magazine] Nâng cao sức đề kháng cho giới trẻ trước tác động của “Rác AI” trong thời đại số

Giới trẻ (GenZ) là một trong những đối tượng phổ biến sử dụng mạng xã hội, điện thoại thông minh. Trên môi trường số, thông tin được tạo ra từ nhiều công cụ, trong đó có công cụ trí tuệ nhân tạo (AI). Công cụ AI đã trở thành động lực quan trọng thúc đẩy phát triển của kinh tế tri thức và xã hội số. Tuy nhiên, cùng với sự tích cực đó, sự xuất hiện ngày càng tràn lan của “rác AI” tác động tiêu cực đến đời sống kinh tế, văn hóa, đạo đức và niềm tin xã hội, nhất là đối với giới trẻ. Làm thế nào để nâng cao sức đề kháng cho giới trẻ trước những “cạm bẫy thông tin”, có khả năng miễn nhiễm trước tác động của “rác AI” là vấn đề cần đặt ra và cần có câu trả lời của toàn xã hội.
Vinamilk đón nhận Huân chương độc lập hạng nhất tại dấu mốc 50 năm

Vinamilk đón nhận Huân chương độc lập hạng nhất tại dấu mốc 50 năm

Ngày 20/8/2026 tại TP.HCM, Vinamilk tiếp tục đón nhận Huân chương Độc lập hạng Nhất – phần thưởng cao quý của Đảng và Nhà nước ghi nhận những đóng góp của doanh nghiệp đối với sự nghiệp xây dựng và phát triển đất nước. Dấu mốc nửa thế kỷ cũng mở ra một chặng phát triển mới của thương hiệu sữa Việt, với mục tiêu tiếp tục đổi mới để phụng sự tốt hơn cho sức khỏe cộng đồng và đưa những giá trị Việt Nam vươn xa trên thị trường quốc tế.
Vietcombank huy động hơn 3.000 tỷ đồng qua trái phiếu

Vietcombank huy động hơn 3.000 tỷ đồng qua trái phiếu

Từ tháng 6/2026 đến nay, Vietcombank đã huy động thành công 7 lô trái phiếu, qua đó thu về 3.450 tỷ đồng với lãi suất cao nhất lên đến 8%/năm.
Doanh nghiệp thuộc Hội Tự động hóa Việt Nam kết nối cơ hội hợp tác tại Automation Taipei 2026

Doanh nghiệp thuộc Hội Tự động hóa Việt Nam kết nối cơ hội hợp tác tại Automation Taipei 2026

Triển lãm Automation Taipei và Intelligent Asia 2026 diễn ra tại Đài Loan đang trở thành điểm hội tụ của các doanh nghiệp, công nghệ và giải pháp mới trong lĩnh vực tự động hóa, robot và sản xuất thông minh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/8/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Tuất cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/8/2026: Tuổi Thìn vận trình khởi sắc, tuổi Tuất cần thận trọng

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 22/8/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Thị trường chứng khoán ngày 21/8: Cổ phiếu chứng khoán bùng nổ, VN Index tăng gần 34 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 21/8: Cổ phiếu chứng khoán bùng nổ, VN Index tăng gần 34 điểm

Dòng tiền tăng tốc trong phiên chiều giúp thị trường đảo chiều mạnh, VN Index tăng 33,88 điểm và vượt MA20 ngày. Nhóm chứng khoán trở thành tâm điểm với hàng loạt cổ phiếu tăng trần, trong khi sắc xanh cũng lan rộng sang ngân hàng, bất động sản và nhóm vốn hóa vừa.
12 cơ sở giáo dục đại học được lựa chọn trở thành đầu tàu dẫn dắt

12 cơ sở giáo dục đại học được lựa chọn trở thành đầu tàu dẫn dắt

Phó Thủ tướng Lê Tiến Châu vừa kí Quyết định số 1612, phê duyệt Đề án phát triển, nâng cao chất lượng các cơ sở giáo dục đại học trên địa bàn Thủ đô.
TP.Hồ Chí Minh đưa KHCN từ phòng thí nghiệm vào thực tiễn, tạo động lực tăng trưởng mới

TP.Hồ Chí Minh đưa KHCN từ phòng thí nghiệm vào thực tiễn, tạo động lực tăng trưởng mới

Sau hơn một năm triển khai Nghị quyết 57-NQ/TW, TP.Hồ Chí Minh đang từng bước chuyển trọng tâm phát triển khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số từ việc xây dựng cơ chế, chính sách sang hình thành những mô hình có khả năng tạo ra giá trị thực.
Dòng chảy trí tuệ qua các thế hệ Chủ tịch Liên hiệp Hội Việt Nam

Dòng chảy trí tuệ qua các thế hệ Chủ tịch Liên hiệp Hội Việt Nam

Hơn 43 năm xây dựng và phát triển, Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) đã quy tụ, đoàn kết và phát huy sức sáng tạo của đội ngũ trí thức khoa học và công nghệ. Qua các thời kỳ, những người đứng đầu Liên hiệp Hội Việt Nam đều là những nhà khoa học có uy tín, bản lĩnh và trách nhiệm xã hội. Dù ở những cương vị, lĩnh vực chuyên môn và hoàn cảnh lịch sử khác nhau, các thế hệ Chủ tịch đều để lại những dấu ấn riêng, cùng tạo nên một dòng chảy xuyên suốt: trí tuệ gắn với trách nhiệm, khoa học gắn với thực tiễn và cống hiến gắn với lợi ích quốc gia, dân tộc.
Cấp học bổng toàn phần cho 1.500 nhà khoa học trẻ, sinh viên xuất sắc đi đào tạo ở nước ngoài về công nghệ chiến lược

Cấp học bổng toàn phần cho 1.500 nhà khoa học trẻ, sinh viên xuất sắc đi đào tạo ở nước ngoài về công nghệ chiến lược

Phó Thủ tướng Lê Tiến Châu ký Quyết định số 1600/QĐ-TTg phê duyệt Đề án “Chương trình học bổng toàn phần dành cho các nhà khoa học trẻ, sinh viên xuất sắc đi đào tạo tại các trường đại học hàng đầu thế giới về các công nghệ chiến lược” (Đề án).