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
Trường Đại học Điện lực: 60 năm vun đắp nguồn nhân lực cho ngành năng lượng

Trường Đại học Điện lực: 60 năm vun đắp nguồn nhân lực cho ngành năng lượng

Trải qua 60 năm xây dựng và phát triển, Trường Đại học Điện lực từng bước khẳng định vai trò trong đào tạo, nghiên cứu khoa học và chuyển giao công nghệ. Trước yêu cầu chuyển dịch năng lượng và làm chủ công nghệ, nhà trường hướng tới nâng cao chất lượng nguồn nhân lực, đóng góp vào bảo đảm an ninh năng lượng quốc gia.
Tuyển sinh đại học năm 2027 giảm còn 11 phương thức xét tuyển

Tuyển sinh đại học năm 2027 giảm còn 11 phương thức xét tuyển

Bộ Giáo dục và Đào tạo công bố 11 phương thức xét tuyển đại học áp dụng từ năm 2027, giảm 8 phương thức so với năm trước, đồng thời bổ sung hình thức xét tuyển bằng kết quả học tập và thi tốt nghiệp trung học nghề.
BYD lộ diện bản quyền xe điện siêu nhỏ 2 cửa tối ưu khí động học

BYD lộ diện bản quyền xe điện siêu nhỏ 2 cửa tối ưu khí động học

Tối ưu cấu trúc khí động học và công nghệ chiếu sáng LED, BYD vừa công bố bản quyền mẫu ô tô điện siêu nhỏ 2 cửa dành riêng cho giao thông đô thị.
Trung Quốc dự kiến đầu tư 940 tỷ USD cho chuyển đổi năng lượng trong năm 2026

Trung Quốc dự kiến đầu tư 940 tỷ USD cho chuyển đổi năng lượng trong năm 2026

Trung Quốc dự kiến chi khoảng 940 tỷ USD cho chuyển đổi năng lượng trong năm 2026, tiếp tục dẫn đầu thế giới về quy mô đầu tư.
Hợp tác 3 Nhà thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu khoa học

Hợp tác 3 Nhà thúc đẩy thương mại hóa kết quả nghiên cứu khoa học

Mô hình liên kết Nhà nước, Nhà trường, Doanh nghiệp được định hướng theo cách tiếp cận mới: doanh nghiệp và cơ quan quản lý đặt bài toán, trường đại học và viện nghiên cứu phát triển giải pháp, Nhà nước hỗ trợ nguồn lực và chia sẻ rủi ro.
COP31: Bốn quốc gia ký thỏa thuận phát triển hành lang năng lượng xanh

COP31: Bốn quốc gia ký thỏa thuận phát triển hành lang năng lượng xanh

Azerbaijan, Thổ Nhĩ Kỳ, Georgia và Bulgaria đã ký thỏa thuận hợp tác phát triển hành lang năng lượng xanh tại Hội nghị COP31, hướng tới xây dựng tuyến truyền tải điện tái tạo từ khu vực Biển Caspi đến thị trường châu Âu, góp phần đa dạng hóa nguồn cung và tăng cường an ninh năng lượng khu vực.
Năng lượng tái tạo giá rẻ chưa giúp giảm hóa đơn tiền điện: Bài học từ Hy Lạp

Năng lượng tái tạo giá rẻ chưa giúp giảm hóa đơn tiền điện: Bài học từ Hy Lạp

Dù sản lượng điện tái tạo liên tục tăng, doanh nghiệp công nghiệp tại Hy Lạp vẫn phải chịu chi phí điện cao hơn Trung Quốc và bang Texas (Mỹ) do những hạn chế về lưới điện, thiếu năng lực lưu trữ và chi phí vận hành thị trường cân bằng điện.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/11/2026: Tuổi Dậu tài lộc khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/11/2026: Tuổi Dậu tài lộc khởi sắc, tuổi Mão cần thận trọng

Những bí ẩn của khoa học đời sống luôn là chủ đề thu hút sự quan tâm của con người. Tử vi vòng quay công nghệ ngày 15/11/2026 sẽ cùng bạn khám phá vận trình của 12 con giáp trên các phương diện công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe, qua đó có thêm góc nhìn tham khảo để chủ động hơn trong cuộc sống.
Đào tạo nhân lực trước yêu cầu mới của sản xuất tự động

Đào tạo nhân lực trước yêu cầu mới của sản xuất tự động

Robot và trí tuệ nhân tạo đang làm thay đổi cách thức vận hành nhà máy, kéo theo những yêu cầu mới đối với người lao động. Bên cạnh kỹ năng vận hành, doanh nghiệp ngày càng cần nhân sự có khả năng lập trình, tích hợp và bảo trì hệ thống tự động hóa. Thực tế này đặt ra yêu cầu cấp thiết về đào tạo, nhất là việc gắn chương trình học với nhu cầu sử dụng nhân lực tại doanh nghiệp.
Phái đoàn xúc tiến thương mại của Bộ Nông nghiệp Hoa Kì tham quan Nhà máy sữa của Vinamilk

Phái đoàn xúc tiến thương mại của Bộ Nông nghiệp Hoa Kì tham quan Nhà máy sữa của Vinamilk

Trong chuyến xúc tiến thương mại nông nghiệp có quy mô lớn nhất từng được Cục Nông nghiệp Đối ngoại (FAS) thuộc Bộ Nông nghiệp Hoa Kỳ (USDA) cử đến Việt Nam, siêu Nhà máy Sữa Việt Nam của Vinamilk là nhà máy sữa duy nhất được lựa chọn làm điểm đến tham quan và làm việc. Không chỉ gây ấn tượng bởi quy mô và công nghệ sản xuất, doanh nghiệp sữa Việt còn khiến các đại biểu quan tâm bởi chiến lược phát triển sản phẩm, đầu tư nguyên liệu và mối quan hệ hợp tác chặt chẽ với ngành nông nghiệp Mỹ.
master