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
Lưu lượng kế khí siêu âm: Thách thức đo lường trong môi trường khí pha trộn hydro

Lưu lượng kế khí siêu âm: Thách thức đo lường trong môi trường khí pha trộn hydro

Lưu lượng kế khí siêu âm đa đường (USM) từ lâu được sử dụng rộng rãi trong đo lường và chuyển giao quyền sở hữu khí tự nhiên nhờ không có bộ phận chuyển động, tổn thất áp suất thấp, dải đo rộng và nguyên lý đo thời gian truyền. Tuy nhiên, xu hướng sản xuất hydro, pha trộn hydro vào khí tự nhiên và sử dụng các loại nhiên liệu sạch đang đặt ra những thách thức mới đối với công nghệ này.
Chuẩn hóa hạ tầng sạc xe điện: Yêu cầu đồng bộ từ quy chuẩn đến thực tiễn

Chuẩn hóa hạ tầng sạc xe điện: Yêu cầu đồng bộ từ quy chuẩn đến thực tiễn

Phát triển hạ tầng sạc xe điện trên các tuyến cao tốc đang đặt ra yêu cầu đồng bộ về quy mô đầu tư, nguồn điện, an toàn kỹ thuật và khả năng tương thích. Hoàn thiện quy chuẩn và tháo gỡ những vướng mắc trong triển khai là điều kiện quan trọng để hình thành mạng lưới sạc đáp ứng nhu cầu chuyển đổi xanh của giao thông đường bộ.
Khơi dậy, phát triển tư duy sáng tạo cho giới trẻ qua cuộc thi điều khiển UAV Drone

Khơi dậy, phát triển tư duy sáng tạo cho giới trẻ qua cuộc thi điều khiển UAV Drone

Trong hai ngày 6 và 7/11/2026, tại Trường Đại học Nông Lâm TP. Hồ Chí Minh, Sở Khoa học và Công nghệ TP. Hồ Chí Minh phối hợp với Thành Đoàn TP. Hồ Chí Minh, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên (Đại học Quốc gia TP. Hồ Chí Minh) và Công ty TNHH MTV HDFPV tổ chức vòng chung kết và trao giải Cuộc thi Sáng tạo và Điều khiển UAV Drone dành cho thanh thiếu niên TP. Hồ Chí Minh năm 2026.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 08/11/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Thìn cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 08/11/2026: Tuổi Dần vận trình khởi sắc, tuổi Thìn 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 08/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
EIMA 2026: Triển lãm máy nông nghiệp toàn cầu định hình tương lai canh tác thông minh

EIMA 2026: Triển lãm máy nông nghiệp toàn cầu định hình tương lai canh tác thông minh

Từ ngày 10/11 đến 14/11/2026, triển lãm máy móc nông nghiệp quốc tế EIMA International lần thứ 47 sẽ diễn ra tại BolognaFiere, thành phố Bologna (Italy). Với khoảng 1.800 đơn vị trưng bày và hơn 60.000 mẫu máy móc, thiết bị, sự kiện năm nay không chỉ giới thiệu những thành tựu cơ giới hóa mà còn phản ánh xu hướng phát triển của nông nghiệp hiện đại: số hóa, tự động hóa, sử dụng tài nguyên hiệu quả và tăng cường hợp tác công nghệ.
80 năm Hiến pháp 1946: Kiên định nguyên tắc quyền lực thuộc về Nhân dân

80 năm Hiến pháp 1946: Kiên định nguyên tắc quyền lực thuộc về Nhân dân

Tám thập kỷ kể từ khi bản Hiến pháp đầu tiên của nước Việt Nam Dân chủ Cộng hòa được thông qua (9/11/1946), những giá trị về quyền làm chủ của Nhân dân, bảo đảm quyền tự do, dân chủ và xây dựng Nhà nước pháp quyền vẫn tiếp tục được kế thừa, phát triển.
Đạo luật CRA của EU: Đánh giá rủi ro là nền tảng cho lộ trình tuân thủ an ninh mạng

Đạo luật CRA của EU: Đánh giá rủi ro là nền tảng cho lộ trình tuân thủ an ninh mạng

Đạo luật Khả năng phục hồi mạng của Liên minh châu Âu (EU CRA) dự kiến chính thức có hiệu lực từ ngày 11/12/2027, đặt ra những yêu cầu mới về an ninh mạng đối với các sản phẩm có yếu tố kỹ thuật số. Theo Michael Medoff, Giám đốc chứng nhận của exida LLC., đánh giá rủi ro là bước khởi đầu quan trọng giúp các nhà sản xuất xác định nghĩa vụ và lựa chọn phương án tuân thủ phù hợp.
Rapper Kimmese cùng những giai điệu đa sắc màu tại đêm nhạc hội “Wings Up 2026: Vĩnh Ân”

Rapper Kimmese cùng những giai điệu đa sắc màu tại đêm nhạc hội “Wings Up 2026: Vĩnh Ân”

Ngày 03/11, đêm nhạc hội Wings Up 2026: Vĩnh Ân đã diễn ra trong không khí sôi động và bùng nổ với sự góp mặt của nữ rapper Kimmese.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 07/11/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mão 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 07/11/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

AI4VN 2026 khơi dậy cảm hứng làm chủ công nghệ cho thế hệ trẻ

Ngày hội Trí tuệ nhân tạo Việt Nam (AI4VN 2026) không chỉ là diễn đàn kết nối nhà quản lý, chuyên gia, doanh nghiệp và giới nghiên cứu, mà còn mở ra cơ hội để sinh viên tiếp cận những xu hướng công nghệ mới, khơi dậy đam mê nghiên cứu và khát vọng làm chủ trí tuệ nhân tạo (AI).
master