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
Công ty Cổ phần Thương mại và Đầu tư Bảo Lâm tuyển dụng kỹ sư Tự động hoá

Công ty Cổ phần Thương mại và Đầu tư Bảo Lâm tuyển dụng kỹ sư Tự động hoá

Công ty Cổ phần Thương mại và Đầu tư Bảo Lâm là đơn vị có kinh nghiệm hoạt động trên 15 năm trong lĩnh vực kinh doanh thiết bị công nghiệp cho các nhà máy công nghiệp nặng tại Việt Nam với nhiều lĩnh vực khác nhau: Điện, dầu khí, xi măng,…. Hiện tại đang cần tuyển dụng vị trí kỹ sư kỹ thuật cho hệ thống Relay, Kích từ, Điều tốc, DCS.
Ngành sản xuất hóa chất: Con đường hướng tới hoạt động an toàn và bền vững hơn

Ngành sản xuất hóa chất: Con đường hướng tới hoạt động an toàn và bền vững hơn

Một nhà máy hóa chất có thể vận hành ổn định trong nhiều năm, nhưng chỉ một cuộc tấn công mạng nhằm vào hệ thống điều khiển cũng đủ biến một quy trình sản xuất bình thường thành nguy cơ mất an toàn nghiêm trọng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 25/8: Nắm giữ danh mục, hạn chế mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 25/8: Nắm giữ danh mục, hạn chế mua đuổi

VN-Index tiếp tục duy trì đà tăng trong phiên giao dịch ngày 24/8, qua đó củng cố xu hướng tích cực của thị trường. Tuy nhiên, việc chỉ số tiến sát vùng kháng cự 1.800 điểm cùng sự phụ thuộc đáng kể vào một số cổ phiếu vốn hóa lớn khiến nhà đầu tư được khuyến nghị duy trì danh mục và hạn chế mua đuổi.
Dược Hậu Giang - doanh nghiệp dược lớn nhất Việt Nam sắp chi hơn 650 tỷ đồng trả cổ tức đợt cuối năm 2025

Dược Hậu Giang - doanh nghiệp dược lớn nhất Việt Nam sắp chi hơn 650 tỷ đồng trả cổ tức đợt cuối năm 2025

Dược Hậu Giang (DHG) chuẩn bị chốt danh sách cổ đông để thực hiện chi trả cổ tức bằng tiền mặt đợt cuối với tỷ lệ 50%, tương ứng tổng số tiền chi trả hơn 653 tỷ đồng.
PV GAS vượt kế hoạch lợi nhuận, tăng tốc bảo đảm nguồn cung khí

PV GAS vượt kế hoạch lợi nhuận, tăng tốc bảo đảm nguồn cung khí

Trong bối cảnh thị trường năng lượng thế giới tiếp tục biến động, PV GAS vẫn duy trì kết quả kinh doanh tích cực và chủ động củng cố nguồn cung khí, LNG, LPG.
Đại hội IX Liên hiệp Hội Việt Nam: Đưa tri thức thành động lực phát triển

Đại hội IX Liên hiệp Hội Việt Nam: Đưa tri thức thành động lực phát triển

Trong hai ngày 27 và 28/8/2026, tại Trung tâm Hội nghị Quốc gia (Hà Nội), Liên hiệp các Hội Khoa học và Kỹ thuật Việt Nam (Liên hiệp Hội Việt Nam) sẽ tổ chức Đại hội đại biểu toàn quốc lần thứ IX, nhiệm kỳ 2026 - 2031, với chủ đề “Đoàn kết - Sáng tạo - Đột phá - Phát triển”.
Cen Land liên tục thoái vốn tại các công ty con

Cen Land liên tục thoái vốn tại các công ty con

CTCP Bất động sản Thế Kỷ (Cen Land) vừa hoàn tất chuyển nhượng toàn bộ 80% cổ phần tại Cen Sài Gòn, tiếp tục lộ trình thu gọn danh mục đầu tư và thoái vốn khỏi các đơn vị hoạt động kém hiệu quả.
Nửa cuối năm 2026, khối ngân hàng "bơm" hàng tỷ cổ phiếu mới ra thị trường

Nửa cuối năm 2026, khối ngân hàng "bơm" hàng tỷ cổ phiếu mới ra thị trường

Trong nửa cuối năm 2026, nhiều ngân hàng đẩy mạnh gia tăng vốn điều lệ thông qua phát hành cổ phiếu trả cổ tức, cổ phiếu thưởng hoặc chào bán cho cổ đông hiện hữu. Vì vậy, hàng tỷ cổ phiếu mới sắp được "bơm" ra thị trường.
iPhone 18 Pro Max được đồn đoán có 4 màu mới, Dark Cherry nổi bật nhất

iPhone 18 Pro Max được đồn đoán có 4 màu mới, Dark Cherry nổi bật nhất

Apple được cho là sẽ mang đến 4 lựa chọn màu sắc cho iPhone 18 Pro và iPhone 18 Pro Max, trong đó có một màu đỏ anh đào đậm hoàn toàn mới.
Thị trường chứng khoán ngày 24/8: Tiến sát 1.800 điểm, VN Index bắt đầu gặp áp lực chốt lời

Thị trường chứng khoán ngày 24/8: Tiến sát 1.800 điểm, VN Index bắt đầu gặp áp lực chốt lời

VN Index mở cửa trong trạng thái hưng phấn và tiến sát mốc 1.800 điểm, nhưng bên bán nhanh chóng xuất hiện khiến đà tăng bị thu hẹp về cuối phiên. Sau chuỗi tăng mạnh, thị trường đang bước vào phép thử quan trọng khi lượng hàng mua tại vùng “breakout” chuẩn bị về tài khoản.