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 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

Nhận định phiên giao dịch ngày 6/11: Tăng tỷ trọng khi VN-Index vượt lên xu hướng giảm ngắn hạn

VN-Index hồi phục trong phiên 5/11 nhờ lực cầu bắt đáy gia tăng, song xu hướng điều chỉnh ngắn hạn vẫn chưa được xác nhận kết thúc. Nhà đầu tư được khuyến nghị cân bằng danh mục và chỉ xem xét gia tăng tỷ trọng khi chỉ số vượt lên xu hướng giảm giá ngắn hạn.
Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Đại diện duy nhất của Việt Nam được vinh danh ở Hạng mục sữa công thức trẻ em tại Lễ trao giải Thương hiệu thế giới 2026-2027

Vinamilk Optimum Gold được vinh danh Thương hiệu của năm (Brand of the Year) tại Lễ trao giải Thương hiệu Thế giới 2026 - 2027 (World Branding Awards 2026 - 2027) diễn ra ở Vương quốc Anh, là đại diện duy nhất của Việt Nam chiến thắng ở hạng mục sữa công thức trẻ em (Infant Formula). Giữa những yêu cầu ngày càng cao về chất lượng và sự an toàn của sản phẩm dinh dưỡng dành cho trẻ nhỏ, giải thưởng quốc tế ghi nhận uy tín thương hiệu và những nỗ lực không ngừng nâng chuẩn dinh dưỡng của Vinamilk.
Mở hướng đi mới cho doanh nghiệp SME Hà Nội

Mở hướng đi mới cho doanh nghiệp SME Hà Nội

Nâng cao năng suất lao động và chuyển đổi số toàn diện đang là yêu cầu cấp thiết đối với cộng đồng doanh nghiệp nhỏ và vừa (SME). Tuy nhiên, để công nghệ thực sự tạo ra giá trị, doanh nghiệp cần những giải pháp phù hợp với quy mô, nguồn lực và nhu cầu thực tiễn. Hội thảo về bài toán lớn số 21 do Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật TP. Hà Nội tổ chức ngày 5/11 đã tập trung thảo luận những hướng tiếp cận cụ thể, từ ứng dụng AI, tự động hóa đến đo lường, tối ưu hiệu suất sản xuất và xây dựng hệ sinh thái hỗ trợ doanh nghiệp.
Thị trường chứng khoán ngày 05/11: VN Index tiếp đà phục hồi nhưng áp lực chốt lời bắt đầu gia tăng

Thị trường chứng khoán ngày 05/11: VN Index tiếp đà phục hồi nhưng áp lực chốt lời bắt đầu gia tăng

VN Index tiếp tục tăng gần 8 điểm để nối dài chuỗi hồi phục lên hai phiên liên tiếp. Tuy nhiên, áp lực chốt lời khiến chỉ số thu hẹp đáng kể đà tăng về cuối phiên, trong khi thanh khoản giảm nhẹ.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 06/11/2026: Tuổi Tý vận trình khởi sắc, tuổi Dần cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 06/11/2026: Tuổi Tý vận trình khởi sắc, tuổi Dần 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 06/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
FPT vận hành thử nghiệm nhà máy kiểm thử chip bán dẫn tại Bắc Ninh

FPT vận hành thử nghiệm nhà máy kiểm thử chip bán dẫn tại Bắc Ninh

Nhà máy có 6 dây chuyền, công suất thiết kế tối đa 300 triệu chip mỗi năm, đánh dấu bước tiến của FPT trong việc tham gia sâu hơn vào chuỗi giá trị bán dẫn.
Fortinet mở rộng giải pháp SASE, đơn giản hóa bảo mật cho các chi nhánh nhỏ

Fortinet mở rộng giải pháp SASE, đơn giản hóa bảo mật cho các chi nhánh nhỏ

Giải pháp FortiLink SASE cho phép doanh nghiệp bảo vệ và quản lý tập trung các thiết bị có dây, không dây tại văn phòng chi nhánh, cơ sở ở xa mà không cần triển khai tường lửa chuyên dụng tại chỗ.
Bộ KH và CN thúc đẩy công nghệ chiến lược, tạo đột phá trong chuyển đổi số

Bộ KH và CN thúc đẩy công nghệ chiến lược, tạo đột phá trong chuyển đổi số

Trong tháng 10/2026, Bộ Khoa học và Công nghệ tiếp tục đẩy mạnh hoàn thiện thể chế, triển khai các nhiệm vụ về khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số. Nhiều kết quả tích cực được ghi nhận trong phát triển công nghệ chiến lược, mở rộng hạ tầng số, nâng cao năng lực đổi mới sáng tạo và cải cách thủ tục hành chính.
Việt Nam - EU mở rộng hợp tác công nghệ, thúc đẩy chuỗi giá trị xanh

Việt Nam - EU mở rộng hợp tác công nghệ, thúc đẩy chuỗi giá trị xanh

Việc nâng cấp quan hệ lên Đối tác Chiến lược Toàn diện cùng những kết quả tích cực từ Hiệp định EVFTA đang tạo thêm động lực để Việt Nam và Liên minh châu Âu (EU) mở rộng hợp tác thương mại, đầu tư, chuyển giao công nghệ và phát triển công nghiệp bền vững.
Kỹ sư IT Trung Quốc có xu hướng dịch chuyển sang lĩnh vực tự động hoá

Kỹ sư IT Trung Quốc có xu hướng dịch chuyển sang lĩnh vực tự động hoá

Sức ép từ trí tuệ nhân tạo (AI), tình trạng thu hẹp việc làm trong ngành phần mềm đang khiến một bộ phận lập trình viên Trung Quốc rời bỏ ngành công nghiệp internet chuyển nghề sang kỹ thuật tự động hóa, lập trình PLC và điều khiển robot công nghiệp để phục vụ cho xu hướng nhà máy thông minh ngày càng phát triển.
master