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
Đại học Bách khoa Hà Nội hướng tới vị thế đại học nghiên cứu xuất sắc, phụng sự quốc gia

Đại học Bách khoa Hà Nội hướng tới vị thế đại học nghiên cứu xuất sắc, phụng sự quốc gia

Kỷ niệm 70 năm thành lập, Đại học Bách khoa Hà Nội đứng trước yêu cầu chuyển mạnh từ nền tảng đào tạo kỹ thuật hàng đầu sang đại học nghiên cứu xuất sắc, làm chủ công nghệ và giải quyết những bài toán lớn của quốc gia.
Nhà khoa học nữ Việt Nam ghi dấu ấn tại Giải thưởng Khoa học ASEAN - Hoa Kỳ 2026

Nhà khoa học nữ Việt Nam ghi dấu ấn tại Giải thưởng Khoa học ASEAN - Hoa Kỳ 2026

PGS.TS. Hà Thị Thanh Hương giành Giải Nhất hạng mục giữa sự nghiệp tại Giải thưởng Khoa học ASEAN - Hoa Kỳ dành cho Nữ giới năm 2026, với chủ đề ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) thúc đẩy hệ thống y tế bao trùm và có khả năng chống chịu.
Vietnam Innovation Summit 2026: Đưa công nghệ lõi vào sản xuất thực tế

Vietnam Innovation Summit 2026: Đưa công nghệ lõi vào sản xuất thực tế

Tại Vietnam Innovation Summit 2026, trí tuệ nhân tạo (AI), công nghệ bán dẫn và các giải pháp công nghệ sâu được đề cập trong mối liên hệ với năng lực phát triển công nghiệp. Bên cạnh đầu tư nghiên cứu, việc đưa các công nghệ này vào ứng dụng thực tiễn, tạo ra giá trị và nâng cao hiệu quả hoạt động của doanh nghiệp cũng là vấn đề được quan tâm.
Sản xuất hiệu quả và tiết kiệm năng lượng ngành bao bì nhờ bobot xếp pallet

Sản xuất hiệu quả và tiết kiệm năng lượng ngành bao bì nhờ bobot xếp pallet

Trong bối cảnh doanh nghiệp sản xuất chịu áp lực về chi phí nhân công, năng suất và yêu cầu phát triển bền vững, công nghệ robot xếp pallet đang mở ra hướng tiếp cận mới: tối ưu chuyển động, tự động hóa các công đoạn lặp lại và kiểm soát mức tiêu thụ năng lượng ngay trong quá trình vận hành.
Honda UC3 lắp ráp trong nước: Nâng cấp sức mạnh 6,24 kW, tối ưu nền tảng pin LFP

Honda UC3 lắp ráp trong nước: Nâng cấp sức mạnh 6,24 kW, tối ưu nền tảng pin LFP

Sau chưa đầy ba tháng phân phối dưới dạng nhập khẩu từ Thái Lan, mẫu xe máy điện cao cấp Honda UC3 đã chính thức được chuyển sang lắp ráp nội địa tại nhà máy Phúc Yên.
[E-Magazine] ETEK 20 năm tạo giá trị bền vững trong lĩnh vực Tự động hoá

[E-Magazine] ETEK 20 năm tạo giá trị bền vững trong lĩnh vực Tự động hoá

Hai thập niên hình thành và phát triển đã đưa ETEK từ một doanh nghiệp cung cấp thiết bị đào tạo nghề tự động hóa cho các cơ sở đào tạo trở thành đơn vị mang đến các giải pháp công nghệ ngày càng toàn diện cho sản xuất và đời sống. Bước tiếp chặng đường 20 năm, ETEK đang tạo những đột phá, sẵn sàng tâm thế cho những khát vọng mới, nâng tầm năng lực công nghệ Việt.
Nhận định phiên giao dịch ngày 15/10: Thận trọng, hạn chế bắt đáy

Nhận định phiên giao dịch ngày 15/10: Thận trọng, hạn chế bắt đáy

VN-Index nối dài chuỗi giảm điểm lên sáu phiên liên tiếp, dù đã có thời điểm kiểm định ngưỡng hỗ trợ tâm lý 1.700 điểm và thu hẹp đà giảm vào cuối phiên. Trong bối cảnh thanh khoản chưa cải thiện, lực cầu còn yếu và xu hướng điều chỉnh vẫn chiếm ưu thế, nhà đầu tư được khuyến nghị hạn chế bắt đáy, đồng thời cân nhắc cơ cấu danh mục khi thị trường xuất hiện nhịp hồi kỹ thuật.
VTG 2026: Thúc đẩy sự chuyển đổi cho các nhà sản xuất dệt may và da giày

VTG 2026: Thúc đẩy sự chuyển đổi cho các nhà sản xuất dệt may và da giày

Từ ngày 14 - 17/10/2026 tại Trung tâm Hội chợ và Triển lãm Sài Gòn (SECC) sẽ diễn ra triển lãm Ngành dệt may và da giày của Việt Nam (VTG 2026), triển làm lần này thu hút 400 thương hiệu toàn cầu đến từ 11 quốc gia và vùng lãnh thổ tham gia nhằm tạo cơ hội để các nhà sản xuất và người mua gặp gỡ, khám phá công nghệ mới, tìm kiếm giải pháp và mở rộng hợp tác kinh doanh.
Làm chủ vật liệu mới, nâng tầm vị thế Việt Nam trong chuỗi giá trị bán dẫn

Làm chủ vật liệu mới, nâng tầm vị thế Việt Nam trong chuỗi giá trị bán dẫn

Ngày 14/10, hội thảo chuyên sâu SemiConnect Vietnam 2026 diễn ra tại Hà Nội, tập trung thảo luận chiến lược phát triển vật liệu bán dẫn, tăng cường liên kết giữa công nghiệp điện tử và bán dẫn, hướng tới nâng cao năng lực công nghệ và mở rộng sự tham gia của doanh nghiệp Việt Nam trong chuỗi giá trị toàn cầu.
Thị trường chứng khoán ngày 14/10: Họ Vin lấy đi hơn 11 điểm của thị trường, VN Index lùi về vùng 1.700 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 14/10: Họ Vin lấy đi hơn 11 điểm của thị trường, VN Index lùi về vùng 1.700 điểm

VN Index có lúc đánh mất mốc 1.700 điểm trước khi hồi nhẹ cuối phiên, nhưng lực cầu vẫn chưa đủ mạnh để xoay chuyển cục diện. Cổ phiếu họ Vin lao dốc, thanh khoản èo uột và khối ngoại bán ròng tiếp tục đẩy tâm lý tiêu cực lên thị trường.
master