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
[E-Magazine] Giải phẫu buồng lái 6 bậc tự do

[E-Magazine] Giải phẫu buồng lái 6 bậc tự do

Một phi công đẩy cần ga, thân người ngả nhẹ, đường băng lao tới, tiếng động cơ rít lên và chân trời hạ xuống. Nhưng nhìn từ bên ngoài, “chiếc máy bay” chưa từng rời khỏi căn phòng. Đằng sau nghịch lý ấy là một kiến trúc công nghệ tinh vi, nơi vật lý, robot, đồ họa, điều khiển và khoa học về con người cùng hợp lực để tạo nên thứ quan trọng hơn sự giống thật - một phản ứng đủ thật.
Xe máy điện chạy 436km chỉ với một lần sạc

Xe máy điện chạy 436km chỉ với một lần sạc

Hãng xe máy điện Zero Motorcycles (Mỹ) vừa chính thức xác lập kỷ lục Guinness thế giới về quãng đường di chuyển xa nhất cho một chiếc mô tô điện trên một lần sạc đầy.
Nhận định thị trường chứng khoán ngày 19/10: Chỉ tăng tỷ trọng khi thị trường hồi phục rõ ràng

Nhận định thị trường chứng khoán ngày 19/10: Chỉ tăng tỷ trọng khi thị trường hồi phục rõ ràng

VN-Index đã hồi phục sau 7 phiên giảm điểm liên tiếp, nhưng thanh khoản suy giảm và lực cầu chưa đủ mạnh khiến xu hướng ngắn hạn vẫn tiềm ẩn rủi ro. Nhà đầu tư được khuyến nghị duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức cân bằng, chỉ cân nhắc gia tăng tỷ trọng khi thị trường phát đi tín hiệu hồi phục rõ ràng hơn.
18 năm đạt Thương hiệu Quốc gia và hành trình không ngừng nâng chuẩn của Vinamilk

18 năm đạt Thương hiệu Quốc gia và hành trình không ngừng nâng chuẩn của Vinamilk

Tối ngày 16/10, Lễ công bố sản phẩm đạt Thương hiệu Quốc gia Việt Nam lần thứ 10 năm 2026 đã được tổ chức tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia (Hà Nội). Vinamilk là doanh nghiệp xuất sắc đượ
“Dệt Sắc Đan Mây” - khi những con chữ trở thành nhịp cầu sẻ chia

“Dệt Sắc Đan Mây” - khi những con chữ trở thành nhịp cầu sẻ chia

Với mong muốn đưa tri thức đến gần hơn với trẻ em và khơi dậy tinh thần sẻ chia từ những hành động giản dị, dự án giáo dục Libreria Project đã tổ chức sự kiện “Dệt Sắc Đan Mây” tại trường tiểu học Vĩnh Phúc (phường Ngọc Hà, TP Hà Nội) vào thứ sáu ngày 16/10 vừa qua, chính thức đánh dấu bước khởi đầu cho mùa 8.
BIDV khẳng định vị thế “Thương hiệu quốc gia”

BIDV khẳng định vị thế “Thương hiệu quốc gia”

Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) vừa được Hội đồng thương hiệu quốc gia vinh danh tại Lễ công bố sản phẩm đạt Thương hiệu quốc gia Việt Nam năm 2026. Đây là lần thứ 9 BIDV được trao tặng danh hiệu uy tín này.
Thép TVP đón nhận Huân chương Lao động hạng Nhất, kỷ niệm 30 năm thành lập

Thép TVP đón nhận Huân chương Lao động hạng Nhất, kỷ niệm 30 năm thành lập

Công ty Cổ phần Thép TVP tổ chức lễ kỷ niệm 30 năm thành lập (1996 - 2026) và đón nhận Huân chương Lao động hạng Nhất vào tối 16/10/2026 tại TP. Hồ Chí Minh. Sự kiện ghi dấu chặng đường phát triển của doanh nghiệp, đồng thời đặt ra yêu cầu tiếp tục đẩy mạnh ứng dụng khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo trong sản xuất, kinh doanh, hướng tới sự phát triển bền vững.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/10/2026: Tuổi Tỵ đón cơ hội phát triển, tuổi Mão cần thận trọng trong công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/10/2026: Tuổi Tỵ đón cơ hội phát triển, tuổi Mão cần thận trọng trong công việc

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 19/10/2026 nhằm dự đoán vận trình công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe, giúp bạn có thêm góc nhìn tham khảo để chủ động hơn trong cuộc sống.
Galaxy S27 có thể xuất hiện 6 phiên bản, bổ sung dòng Pro mới

Galaxy S27 có thể xuất hiện 6 phiên bản, bổ sung dòng Pro mới

Samsung được cho là đang phát triển thế hệ Galaxy S27 với nhiều lựa chọn hơn, trong đó có Galaxy S27 Pro và Galaxy S27 Edge. Nếu thông tin rò rỉ chính xác, dòng sản phẩm mới sẽ có những thay đổi đáng chú ý về thiết kế, cấu hình và dung lượng pin.
Nhân lực bán dẫn Việt Nam: Chìa khóa để tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu

Nhân lực bán dẫn Việt Nam: Chìa khóa để tham gia sâu vào chuỗi giá trị toàn cầu

Phát triển nguồn nhân lực chất lượng cao đang trở thành một trong những điều kiện then chốt để Việt Nam xây dựng hệ sinh thái bán dẫn có năng lực cạnh tranh. Từ kinh nghiệm của Hà Lan, thực trạng nhân lực trong nước đến mô hình đào tạo gắn với nghiên cứu và doanh nghiệp của Trường Đại học Việt Đức, các góc nhìn tại SemiConnect Vietnam 2026 cho thấy yêu cầu cấp thiết phải thu hẹp khoảng cách giữa đào tạo, nghiên cứu và nhu cầu thực tiễn của ngành.
master