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 9/9: Tăng tỷ trọng ở các nhịp điều chỉnh

Nhận định phiên giao dịch ngày 9/9: Tăng tỷ trọng ở các nhịp điều chỉnh

Sau phiên hồi phục ngày 8/9, VN-Index được kỳ vọng tiếp tục duy trì quán tính tích cực trong phiên 9/9 và hướng tới vùng kháng cự 1.850-1.860 điểm. Trong bối cảnh xu hướng ngắn hạn đang được củng cố, nhà đầu tư có thể cân nhắc gia tăng tỷ trọng tại những nhịp điều chỉnh, thay vì mua đuổi khi thị trường tăng mạnh.
AI trong nhà máy thực phẩm: Tăng tốc đổi mới nhưng phải đặt an ninh lên hàng đầu

AI trong nhà máy thực phẩm: Tăng tốc đổi mới nhưng phải đặt an ninh lên hàng đầu

AI đang nhanh chóng trở thành công cụ quan trọng trong các nhà máy thực phẩm và đồ uống, từ tự động hóa sản xuất, giám sát an toàn đến hỗ trợ người lao động. Tuy nhiên, mức độ kết nối ngày càng cao cũng kéo theo những rủi ro về an ninh mạng, dữ liệu và độ chính xác của các hệ thống AI.
Xiaomi Pad 9 Pro Max lộ diện: Màn hình 13,3 inch, chip tự phát triển mạnh hơn cả A19 Pro?

Xiaomi Pad 9 Pro Max lộ diện: Màn hình 13,3 inch, chip tự phát triển mạnh hơn cả A19 Pro?

Sau thời gian dài chờ đợi, Xiaomi đã hé lộ thiết kế cùng loạt thông số đáng chú ý của Xiaomi Pad 9 Pro Max. Mẫu tablet cao cấp này dự kiến trình làng tại Trung Quốc ngày 7/9, nổi bật với màn hình 13,3 inch, chip Xring O3 10 nhân, pin hơn 10.000 mAh và sạc nhanh 120W.
Hà Nội đề xuất hỗ trợ trực tiếp kinh phí cho hộ dân lắp điện mặt trời mái nhà

Hà Nội đề xuất hỗ trợ trực tiếp kinh phí cho hộ dân lắp điện mặt trời mái nhà

Hà Nội đang lấy ý kiến dự thảo nghị quyết về chính sách hỗ trợ hộ gia đình lắp đặt điện mặt trời mái nhà tự sản xuất, tự tiêu thụ và hệ thống lưu trữ điện, với mức hỗ trợ tối đa có thể lên tới 6 triệu đồng mỗi hộ.
Tiếng nói tuổi trẻ trên sân khấu nhạc kịch

Tiếng nói tuổi trẻ trên sân khấu nhạc kịch

Vào 18h30 ngày 13/09 tới, GALA HAT 2026 sẽ trở lại với vở nhạc kịch “Sử ký PrimaVera.”
Thị trường chứng khoán ngày 08/9: Dầu khí, phân bón nổi sóng, sắc xanh trở lại với VN Index

Thị trường chứng khoán ngày 08/9: Dầu khí, phân bón nổi sóng, sắc xanh trở lại với VN Index

VN Index lấy lại sắc xanh sau cú giảm mạnh trước, lực bán suy yếu và dòng tiền trong phiên tìm đến nhóm hóa chất, phân bón, dầu khí. Tuy nhiên, thanh khoản giảm mạnh cho thấy tâm lý thận trọng vẫn chi phối thị trường.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 9/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Tuất nên tránh chủ quan

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 9/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Tuất nên tránh chủ quan

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 9/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Cùng Khai Niên 2026 truy tìm những mảnh ghép còn thiếu

Cùng Khai Niên 2026 truy tìm những mảnh ghép còn thiếu

Vừa qua, tại Học viện Báo chí và Tuyên truyền, vòng phỏng vấn tuyển thành viên Ban Tổ chức chương trình Khai Niên 2026: WANDERIA diễn ra sôi nổi, thu hút đông đảo sinh viên tham gia thử sức.
Nhận định phiên giao dịch ngày 8/9: Thận trọng, chưa vội quay lại vị thế mua mới

Nhận định phiên giao dịch ngày 8/9: Thận trọng, chưa vội quay lại vị thế mua mới

Sau phiên giảm mạnh ngày 7/9, các chuyên gia cho rằng xu hướng tăng của VN-Index đang có dấu hiệu chững lại. Nhà đầu tư được khuyến nghị duy trì sự thận trọng, chưa vội mở vị thế mua mới và chờ chỉ số kiểm định các vùng hỗ trợ quan trọng.
AI công nghiệp: Tương lai không nằm ở sự mới lạ, mà ở khả năng tạo ra giá trị thực

AI công nghiệp: Tương lai không nằm ở sự mới lạ, mà ở khả năng tạo ra giá trị thực

Trí tuệ nhân tạo (AI) đang phát triển nhanh chóng, nhưng trong lĩnh vực sản xuất, giá trị của công nghệ này không được đo bằng mức độ tiên tiến mà bằng khả năng giảm rủi ro, nâng cao thời gian hoạt động và tạo ra hiệu quả có thể chứng minh trên dây chuyền.