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
vcca2026
Tin bài khác
Thị trường chứng khoán ngày 21/4: Áp lực bán cuối phiên gia tăng, VN-Index đảo chiều giảm nhẹ

Thị trường chứng khoán ngày 21/4: Áp lực bán cuối phiên gia tăng, VN-Index đảo chiều giảm nhẹ

Thị trường chứng khoán ngày 21/4 ghi nhận diễn biến đảo chiều vào cuối phiên khi áp lực bán tăng mạnh ở nhóm cổ phiếu vốn hóa lớn, kéo VN-Index từ trạng thái tăng điểm chuyển sang giảm nhẹ.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/4/2026: Tuổi Tý điềm tranh đoạt, tuổi Mùi tiến triển mới

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 22/4/2026: Tuổi Tý điềm tranh đoạt, tuổi Mùi tiến triển mới

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 22/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Dấu ấn công nghệ, mở rộng hợp tác tại Mining & Construction Vietnam 2026

Dấu ấn công nghệ, mở rộng hợp tác tại Mining & Construction Vietnam 2026

Triển lãm Mining & Construction Vietnam 2026 quy tụ gần 200 doanh nghiệp đến từ 17 quốc gia và vùng lãnh thổ, mang tới những công nghệ và xu hướng mới nhất trong lĩnh vực khai khoáng, xây dựng trên thế giới.
Doanh nghiệp một người: “Sói đơn độc” hay đơn vị kinh tế có điều kiện

Doanh nghiệp một người: “Sói đơn độc” hay đơn vị kinh tế có điều kiện

Trong bối cảnh kinh tế hiện đại, không phải ai cũng cần thành lập một công ty theo cách truyền thống, nhưng ngày càng nhiều cá nhân buộc phải tự biến mình thành một thực thể doanh nghiệp để thích nghi. Khái niệm "Company of One" (Doanh nghiệp một người)4 không còn là một ý tưởng xa lạ mà đã trở thành một hệ điều hành mới cho sự nghiệp trong kỷ nguyên số.
Tăng cường sức đề kháng trong cuộc chiến chống vi phạm bản quyền ở lĩnh vực xuất bản

Tăng cường sức đề kháng trong cuộc chiến chống vi phạm bản quyền ở lĩnh vực xuất bản

Ngày 20/4, Báo Nhân Dân tổ chức tọa đàm "Tăng cường sức đề kháng trong cuộc chiến chống vi phạm bản quyền ở lĩnh vực xuất bản".
Tennis vì cộng đồng: Khi mỗi cú đánh tạo nên hy vọng

Tennis vì cộng đồng: Khi mỗi cú đánh tạo nên hy vọng

Không chỉ là một giải tennis phong trào, E&A Open lần thứ 15 - Cúp Á Âu Electric tiếp tục khẳng định vai trò là điểm hẹn của đam mê, kết nối và sẻ chia. Năm 2026, giải đấu mang theo một sứ mệnh đặc biệt: gây quỹ hỗ trợ bệnh nhi có hoàn cảnh khó khăn, để mỗi cú đánh trên sân đều góp phần thắp lên những hy vọng ngoài đời.
Nhận định phiên giao dịch ngày 21/4: Cơ hội gia tăng tỷ trọng khi thị trường điều chỉnh

Nhận định phiên giao dịch ngày 21/4: Cơ hội gia tăng tỷ trọng khi thị trường điều chỉnh

Sau phiên tăng mạnh, thị trường được dự báo có thể xuất hiện các nhịp điều chỉnh ngắn hạn do tâm lý thận trọng gia tăng, mở ra cơ hội để nhà đầu tư cân nhắc gia tăng tỷ trọng ở những cổ phiếu có nền tảng tốt.
Mô hình rút gọn của bộ sạc hai chiều dựa trên chỉnh lưu chủ động cho hệ thống xe-lưới điện

Mô hình rút gọn của bộ sạc hai chiều dựa trên chỉnh lưu chủ động cho hệ thống xe-lưới điện

Bài báo này đề xuất một hệ thống điều khiển sạc hai chiều dựa trên mô hình rút gọn của bộ chỉnh lưu chủ động cho ứng dụng V2G.
“Vườn ánh sáng” thắp bừng Văn Miếu: Kích hoạt không gian sáng tạo giữa lòng di sản

“Vườn ánh sáng” thắp bừng Văn Miếu: Kích hoạt không gian sáng tạo giữa lòng di sản

Lần đầu tiên, khu vực Vườn Giám thuộc Văn Miếu - Quốc Tử Giám khoác lên mình diện mạo lung linh với hàng trăm đèn lồng rực rỡ, mở ra không gian trải nghiệm văn hóa - nghệ thuật mới mẻ, kết nối di sản với sáng tạo đương đại.
Biến tần cầu H tăng áp bán chuyển mạch một pha với khả năng giảm tổn thất điện năng

Biến tần cầu H tăng áp bán chuyển mạch một pha với khả năng giảm tổn thất điện năng

Bài báo này đề xuất một cấu trúc biến tần cầu H tăng áp bán chuyển mạch một pha (qSB-HBI) mới kết hợp với chiến lược điều chế độ rộng xung lai (HPWM) để nâng cao hiệu suất chuyển đổi năng lượng và giảm thiểu yêu cầu về các linh kiện thụ động.
vn-web
song-gia-tri