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 19/8: Duy trì tỷ trọng ở mức trung bình, tránh mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 19/8: Duy trì tỷ trọng ở mức trung bình, tránh mua đuổi

Sau phiên hồi phục ngày 18/8, VN-Index vẫn chưa cho thấy tín hiệu đủ mạnh để xác nhận một xu hướng tăng bền vững. Các chỉ báo kỹ thuật đang ở trạng thái trung tính, trong khi độ rộng thị trường và thanh khoản chưa tạo được sự đồng thuận. Nhà đầu tư ngắn hạn được khuyến nghị duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, tránh mua đuổi và ưu tiên quản trị rủi ro.
Thị trường chứng khoán ngày 18/8: Nhóm dầu khí “gánh” chỉ số

Thị trường chứng khoán ngày 18/8: Nhóm dầu khí “gánh” chỉ số

VN Index tăng nhẹ nhờ sự bứt phá của dầu khí và một số cổ phiếu vốn hóa lớn. Tuy nhiên, độ rộng vẫn nghiêng về phía giảm, thanh khoản thấp và khối ngoại tiếp tục bán ròng cho thấy tâm lý thị trường chưa thực sự ổn định.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/8/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mùi cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 19/8/2026: Tuổi Tỵ vận trình khởi sắc, tuổi Mùi 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 19/8/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
AI đưa ép đùn công nghiệp bước vào kỷ nguyên tự tối ưu hóa

AI đưa ép đùn công nghiệp bước vào kỷ nguyên tự tối ưu hóa

Trong nhiều năm, ép đùn liên tục vẫn được xem là một trong những công đoạn khó tự động hóa nhất của ngành sản xuất. Từ cao su EPDM, nhựa nhiệt dẻo, nhựa phản ứng đến sản xuất cáp quang, quá trình này luôn chịu tác động của hàng loạt biến số như đặc tính vật liệu, nhiệt độ, áp suất và tốc độ vận hành. Chỉ một thay đổi nhỏ cũng có thể ảnh hưởng đến chất lượng sản phẩm, khiến tỷ lệ phế phẩm tăng và hiệu suất dây chuyền suy giảm.
CHINT Electric đạt bước tiến mới với máy biến áp xoay chiều siêu cao áp 1.000 kV

CHINT Electric đạt bước tiến mới với máy biến áp xoay chiều siêu cao áp 1.000 kV

CHINT Electric vừa đạt một cột mốc mới trong lĩnh vực thiết bị truyền tải điện siêu cao áp (UHV), khi máy biến áp xoay chiều siêu cao áp 1.000 kV/1.000 MVA đầu tiên của doanh nghiệp vượt qua toàn bộ các thử nghiệm thường xuyên và thử nghiệm điển hình ngay trong lần thử đầu tiên.
Nhận định phiên giao dịch ngày 18/8: Hạ tỷ trọng các nhóm ngành đang suy yếu

Nhận định phiên giao dịch ngày 18/8: Hạ tỷ trọng các nhóm ngành đang suy yếu

Phiên giao dịch ngày 18/8 được dự báo tiếp tục phân hóa khi dòng tiền vẫn ở mức thấp, trong khi áp lực bán ròng từ khối ngoại chưa có dấu hiệu giảm. Nhà đầu tư được khuyến nghị ưu tiên quản trị rủi ro, chủ động hạ tỷ trọng tại các nhóm ngành đang suy yếu và tránh bắt đáy sớm.
Giải mã Ford Fathom: Công nghệ đúc nhôm nguyên khối và bài toán xe điện giá rẻ

Giải mã Ford Fathom: Công nghệ đúc nhôm nguyên khối và bài toán xe điện giá rẻ

Ford vừa chính thức công bố tên gọi Fathom cho mẫu xe bán tải điện cỡ trung hoàn toàn mới phát triển trên nền tảng Universal Electric Vehicle (UEV). Với giá khởi điểm từ 28.350 USD (khoảng 740 triệu đồng), Fathom trở thành một trong những mẫu bán tải thuần điện dễ tiếp cận nhất thị trường Mỹ, hiện thực hóa cam kết thương mại hóa xe điện dưới 30.000 USD nhờ sự đột phá trong công nghệ tự động hóa dây chuyền và tối ưu hóa vật liệu.
Thị trường chứng khoán ngày 17/8: Thanh khoản giảm mạnh, VN Index đi ngang trên vùng 1.700 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 17/8: Thanh khoản giảm mạnh, VN Index đi ngang trên vùng 1.700 điểm

Chỉ số VN Index giảm nhẹ và hình thành cây nến Doji trên vùng hỗ trợ 1.700 điểm. Thanh khoản sụt mạnh cùng khối ngoại bán ròng hơn 600 tỷ đồng cho thấy dòng tiền vẫn thận trọng, dù nhóm dầu khí, cao su và bất động sản xuất hiện một số điểm sáng.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/8/2026: Tuổi Thìn, Thân vận trình khởi sắc, tuổi Ngọ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/8/2026: Tuổi Thìn, Thân vận trình 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 18/8/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Khối dịch vụ sân bay bứt phá, các hãng bay gặp khó

Khối dịch vụ sân bay bứt phá, các hãng bay gặp khó

Trong quý II/2026, lợi nhuận doanh nghiệp ngành hàng không ghi nhận sự phân hóa rõ rệt khi nhóm dịch vụ cảng hàng không tăng trưởng tốt nhờ lượng khách phục hồi, còn các hãng bay chịu áp lực lớn từ chi phí vận hành.