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
Nhận định phiên giao dịch ngày 12/10: Loại bỏ nhóm cổ phiếu có biến động yếu về giá

Nhận định phiên giao dịch ngày 12/10: Loại bỏ nhóm cổ phiếu có biến động yếu về giá

VN-Index trải qua tuần giảm điểm thứ ba liên tiếp và đang kiểm định vùng hỗ trợ 1.730-1.740 điểm. Trong bối cảnh áp lực điều chỉnh chưa chấm dứt, nhà đầu tư được khuyến nghị rà soát danh mục, loại bỏ những cổ phiếu có diễn biến giá yếu và tập trung vào các doanh nghiệp có triển vọng kinh doanh tích cực.
[E-Magazine] Sự tiến hóa của Automation

[E-Magazine] Sự tiến hóa của Automation

Suốt nửa thế kỷ, tự động hóa “lớn lên” với một thói quen rất công nghiệp, đó là con người nghĩ, máy làm. Rồi nhà máy có thêm cảm biến, dữ liệu, thị giác máy và trí tuệ nhân tạo. Đến một ngày đẹp trời, câu hỏi không còn là “máy làm nhanh đến đâu”, mà là nếu máy đã biết nhìn, biết đoán, biết lựa chọn, con người sẽ trao cho nó quyền quyết định đến đâu?
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/10/2026: Tuổi Dần đón cơ hội mới, tuổi Ngọ cần thận trọng trong công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 12/10/2026: Tuổi Dần đón cơ hội mới, tuổi Ngọ cần thận trọng trong 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 12/10/2026 nhằm dự đoán vận trình công danh, tài lộc, tình duyên và sức khỏe, giúp bạn có thêm góc nhìn tham khảo để chủ động hơn trong cuộc sống.
"Bắt tay" BYD dùng pin LFP, Suzuki eSky tái định hình công nghệ xe điện cỡ nhỏ

"Bắt tay" BYD dùng pin LFP, Suzuki eSky tái định hình công nghệ xe điện cỡ nhỏ

Suzuki chính thức gia nhập đường đua điện hóa đô thị tại Nhật Bản với eSky, mẫu ô tô điện chở khách đầu tiên thuộc phân khúc kei car.
Hơn 180 sản phẩm khoa học - công nghệ khắc họa dấu ấn 70 năm Bách khoa Hà Nội

Hơn 180 sản phẩm khoa học - công nghệ khắc họa dấu ấn 70 năm Bách khoa Hà Nội

Triển lãm Thành tựu Khoa học Công nghệ và Đổi mới sáng tạo khai mạc ngày 9/10 tại Đại học Bách khoa Hà Nội, giới thiệu hơn 180 sản phẩm, kết quả nghiên cứu tiêu biểu.
Khai trương trung tâm sản xuất tiên tiến gần 100 triệu bảng Anh

Khai trương trung tâm sản xuất tiên tiến gần 100 triệu bảng Anh

Trung tâm Đổi mới Sản xuất Tiên tiến (AMIC) tại Bắc Ireland đã chính thức khai trương ở Belfast, với tổng vốn đầu tư gần 100 triệu bảng Anh. Đi vào hoạt động từ tháng 4/2026, trung tâm được kỳ vọng thúc đẩy ứng dụng công nghệ hiện đại trong sản xuất, tạo tới 1.500 việc làm và đóng góp 1,3 tỷ bảng Anh cho nền kinh tế Bắc Ireland.
Kết nối công nghệ, thúc đẩy làm chủ chuỗi cung ứng đường sắt

Kết nối công nghệ, thúc đẩy làm chủ chuỗi cung ứng đường sắt

Trong bối cảnh Việt Nam đẩy mạnh phát triển hạ tầng giao thông hiện đại, VRT&CON’ 2026 tập trung giới thiệu các công nghệ đường sắt tiên tiến, thúc đẩy kết nối doanh nghiệp và mở rộng cơ hội hợp tác quốc tế.
EPI Techday 2026: Đưa AI vào robot, bài toán nằm ở cả hệ thống

EPI Techday 2026: Đưa AI vào robot, bài toán nằm ở cả hệ thống

Khi AI rời khỏi màn hình máy tính để đi vào các thiết bị vật lý như robot hình người hay thiết bị bay không người lái (UAV), giới kỹ thuật nhanh chóng nhận ra một thực tế: thuật toán thông minh hay chip xử lý mạnh chỉ giải quyết được một phần nhỏ vấn đề.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/10/2026: Tuổi Mão đón vận may tài lộc, tuổi Tý cần kiên nhẫn trong công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 11/10/2026: Tuổi Mão đón vận may tài lộc, tuổi Tý cần kiên nhẫn trong 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 11/10/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Đêm nhạc Welcome to AJC 2026: Festivia - Lễ hội âm nhạc của tuổi trẻ trường Báo

Đêm nhạc Welcome to AJC 2026: Festivia - Lễ hội âm nhạc của tuổi trẻ trường Báo

Tối 8/10, đại nhạc hội Welcome to AJC 2026: Festivia chính thức diễn ra tại Hội trường lớn, Học viện Báo chí và Tuyên truyền. Với chuỗi tiết mục được đầu tư kỹ lưỡng, chương trình mở ra không gian nghệ thuật đa sắc màu, đồng thời khẳng định tài năng và sức sáng tạo của sinh viên Học viện.
master