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
Việt Nam xác lập 3 cam kết chiến lược, thúc đẩy phát triển và làm chủ AI

Việt Nam xác lập 3 cam kết chiến lược, thúc đẩy phát triển và làm chủ AI

Tuần lễ Số Quốc tế Việt Nam 2026 (VIDW 2026) khai mạc ngày 28/10 tại Quảng Ninh, quy tụ hơn 500 đại biểu đến từ gần 30 quốc gia.
‘Mạng lưới Khoa học sự sống bền vững 2026’ kết nối các nhà khoa học quốc tế hướng tới tương lai bền vững

‘Mạng lưới Khoa học sự sống bền vững 2026’ kết nối các nhà khoa học quốc tế hướng tới tương lai bền vững

Hội thảo "Mạng lưới Khoa học sự sống bền vững 2026" vừa chính thức khai mạc tại Đại học Bách khoa Hà Nội với chủ đề “Thúc đẩy tương lai bền vững và có khả năng chống chịu thông qua hợp tác quốc tế, giáo dục và nghiên cứu liên ngành về khoa học sự sống”.
MIK Group bổ nhiệm nữ Tổng Giám đốc mới

MIK Group bổ nhiệm nữ Tổng Giám đốc mới

MIK Group bổ nhiệm bà Trần Thị Minh Thúy làm Tổng Giám đốc kiêm người đại diện theo pháp luật, thay ông Nguyễn Trường Sơn. Trước đó, bà Thúy từng đảm nhiệm các vị trí quản lý cấp cao tại Virex, T&T Homes và Vinhomes.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/10/2026: Tuổi Thân tài lộc khởi sắc, tuổi Ngọ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 29/10/2026: Tuổi Thân tài lộc khởi sắc, tuổi Ngọ 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 29/10/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Thị trường chứng khoán ngày 28/10: VN-Index đảo chiều nhờ lực kéo từ nhóm ngân hàng

Thị trường chứng khoán ngày 28/10: VN-Index đảo chiều nhờ lực kéo từ nhóm ngân hàng

VN-Index kết thúc phiên 28/10 trong sắc xanh sau phần lớn thời gian giao dịch dưới tham chiếu, nhờ sự hỗ trợ của VCB, VIC và một số cổ phiếu ngân hàng. Dù chỉ số phục hồi gần 5 điểm, số mã giảm vẫn nhiều hơn số mã tăng, cho thấy tâm lý thận trọng vẫn bao trùm thị trường.
Đoàn Hội Tự động hóa Việt Nam tham dự NEPCON ASIA và Robotech 2026 tại Trung Quốc

Đoàn Hội Tự động hóa Việt Nam tham dự NEPCON ASIA và Robotech 2026 tại Trung Quốc

Đoàn đại biểu Hội Tự động hóa Việt Nam tham dự hai triển lãm công nghệ NEPCON ASIA 2026 và Robotech 2026 diễn ra từ 27-29/10 tại Thâm Quyến, Trung Quốc, nhằm cập nhật xu hướng sản xuất thông minh, khảo sát công nghệ và thúc đẩy hợp tác quốc tế.
AEF 2026: Từ hợp tác quốc tế đến những động lực tăng trưởng mới

AEF 2026: Từ hợp tác quốc tế đến những động lực tăng trưởng mới

Ngày 27/10/2026, Diễn đàn Kinh tế Mùa thu 2026 bước vào ngày làm việc với 16 phiên chuyên đề, tập trung thảo luận những động lực tăng trưởng mới, tái cấu trúc chuỗi giá trị toàn cầu, công nghệ đột phá, logistics xanh, kinh tế tuần hoàn, kinh tế số và khả năng huy động các nguồn lực tài chính quốc tế.
Xử lý nước công nghiệp: Tối ưu từng công đoạn

Xử lý nước công nghiệp: Tối ưu từng công đoạn

Điện năng tiêu thụ tăng, màng lọc suy giảm hiệu suất và chi phí bảo trì phát sinh là những vấn đề khiến doanh nghiệp phải nhìn lại hệ thống xử lý nước công nghiệp. Tối ưu không chỉ là thay thiết bị bằng công nghệ mới, mà còn phải xác định tổn thất xuất hiện ở đâu và liệu việc nâng cấp có mang lại hiệu quả tương xứng.
Giải ngân kinh phí khoa học, công nghệ: Tăng tốc gắn với hiệu quả đầu ra

Giải ngân kinh phí khoa học, công nghệ: Tăng tốc gắn với hiệu quả đầu ra

Tính đến ngày 26/10/2026, tỷ lệ giải ngân kinh phí khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số trên cả nước đạt 41,18%; riêng khối địa phương đạt 38,49%. Trước áp lực hoàn thành kế hoạch năm, Bộ Khoa học và Công nghệ yêu cầu các địa phương chủ động tháo gỡ vướng mắc, đẩy nhanh tiến độ thực hiện nhiệm vụ, đồng thời gắn giải ngân với kết quả đầu ra và hiệu quả sử dụng ngân sách.
Từ màn hình phức tạp đến trợ lý thông minh: Trải nghiệm người dùng đang thay đổi ngành sản xuất

Từ màn hình phức tạp đến trợ lý thông minh: Trải nghiệm người dùng đang thay đổi ngành sản xuất

Trong kỷ nguyên số, các hệ thống quản lý sản xuất không chỉ cần mạnh mẽ về công nghệ mà còn phải dễ sử dụng. Sự chuyển dịch từ những giao diện phức tạp sang trải nghiệm trực quan đang giúp doanh nghiệp rút ngắn thời gian đào tạo, hạn chế sai sót và nâng cao hiệu suất vận hành nhà máy.
master