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
Fortinet nằm trong nhóm dẫn đầu Gartner Magic Quadrant 2026 về năng lực cung cấp tường lửa

Fortinet nằm trong nhóm dẫn đầu Gartner Magic Quadrant 2026 về năng lực cung cấp tường lửa

Được Gartner lần thứ hai liên tiếp xếp vào nhóm “Leader”, Fortinet tiếp tục khẳng định năng lực cung cấp giải pháp tường lửa (Hybrid Mesh Firewall) cho các môi trường doanh nghiệp lai, kết hợp giữa mạng, bảo mật, điện toán đám mây và công nghệ AI.
Học sinh Hà Nội học cách sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm

Học sinh Hà Nội học cách sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm

Gần 1.000 học sinh Trường Tiểu học Lĩnh Nam, phường Lĩnh Nam, thành phố Hà Nội, được trang bị kiến thức và kỹ năng sử dụng năng lượng an toàn, tiết kiệm, hiệu quả thông qua chương trình tuyên truyền do Cục Đổi mới sáng tạo, Chuyển đổi xanh và Khuyến công (Bộ Công Thương) tổ chức ngày 14/9.
Thị trường chứng khoán ngày 14/9: Cổ phiếu họ Gelex giảm sàn, nhóm dầu khí “ngược dòng”

Thị trường chứng khoán ngày 14/9: Cổ phiếu họ Gelex giảm sàn, nhóm dầu khí “ngược dòng”

VN Index tiếp tục giảm gần 7 điểm khi áp lực bán vẫn lan rộng trên thị trường. Dầu khí giữ vai trò điểm sáng hiếm hoi, trong khi chứng khoán, bất động sản và nhóm Gelex chịu sức ép mạnh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Mùi nên thận trọng công việc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/9/2026: Tuổi Tỵ vận trình hanh thông, tuổi Mùi nên thận trọng 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 15/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Nhận định phiên giao dịch ngày 14/9: Tránh mua đuổi trong các nhịp hồi

Nhận định phiên giao dịch ngày 14/9: Tránh mua đuổi trong các nhịp hồi

Sau phiên giảm mạnh cuối tuần, thị trường chứng khoán Việt Nam bước vào tuần giao dịch mới với tâm lý thận trọng khi áp lực bán đang chiếm ưu thế. Trong bối cảnh xu hướng chưa rõ ràng, nhà đầu tư ngắn hạn được khuyến nghị hạn chế mua đuổi trong các nhịp hồi và duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức vừa phải.
[E-Magazine] Từ xanh hóa đến số hóa xe buýt đô thị

[E-Magazine] Từ xanh hóa đến số hóa xe buýt đô thị

Trong 2 tháng qua, hệ thống xe buýt đô thị của Hà Nội và TP. HCM chứng kiến một cuộc lột xác thực sự khi áp dụng đồng loạt vé điện tử và thanh toán tự động. Một hành khách bước lên xe buýt, đưa thẻ hoặc điện thoại lại gần chiếc máy nhỏ cạnh cửa. “Bíp”. Trong một chớp mắt, vé đã được xác thực. Đằng sau thao tác giản dị ấy là cả một hệ thống dữ liệu, thanh toán, định vị và điều hành. Nhưng thước đo cuối cùng của công nghệ không nằm ở chiếc máy, nó nằm ở chỗ người dân có muốn bước lên xe mỗi ngày hay không?!
Kỷ nguyên xe máy điện tầm xa 200km: Tích hợp công nghệ tự động hóa và hệ sinh thái thông minh

Kỷ nguyên xe máy điện tầm xa 200km: Tích hợp công nghệ tự động hóa và hệ sinh thái thông minh

Sự phát triển của công nghệ lưu trữ năng lượng và hệ thống quản lý điện tử đang tái định hình thị trường xe máy điện toàn cầu.
Chủ tịch BRG Nguyễn Thị Nga được phong tặng danh hiệu Anh hùng Lao động

Chủ tịch BRG Nguyễn Thị Nga được phong tặng danh hiệu Anh hùng Lao động

Bà Nguyễn Thị Nga, Chủ tịch Tập đoàn BRG, vừa được phong tặng danh hiệu Anh hùng Lao động thời kỳ đổi mới, ghi nhận những thành tích đặc biệt xuất sắc trong lao động, sáng tạo và những đóng góp cho phát triển kinh tế - xã hội.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/9/2026: Tuổi Tuất vận trình khởi sắc, tuổi Thìn nên tránh nóng vội

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/9/2026: Tuổi Tuất vận trình khởi sắc, tuổi Thìn nên tránh nóng vội

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 14/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Xây dựng Hòa Bình chuyển nhượng dự án cho FPT với giá gần 250 tỷ đồng

Xây dựng Hòa Bình chuyển nhượng dự án cho FPT với giá gần 250 tỷ đồng

Tập đoàn Xây dựng Hòa Bình đã chuyển nhượng dự án Trung tâm đổi mới sáng tạo Hòa Bình cho một công ty con của FPT với giá trị thương vụ đạt 246,5 tỷ đồng.