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
Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: VIB kỷ niệm 30 năm, mở “Hành trình vì những bước tiến”

Tin tức ngân hàng nổi bật tuần qua: VIB kỷ niệm 30 năm, mở “Hành trình vì những bước tiến”

Tuần qua đã có nhiều ngân hàng đã có những động thái quan trọng nhằm mở rộng dịch vụ và thu hút khách hàng với hàng loạt diễn biến đáng chú ý liên quan đến hoạt động kinh doanh: SACOMBANK Visa: Chạm thẻ, mở ra những trải nghiệm đẳng cấp;12 ngân hàng dành 408.000 tỷ đồng hỗ trợ doanh nghiệp nhỏ và vừa; VIB kỷ niệm 30 năm, mở “Hành trình vì những bước tiến”...
Công nghệ số không vô hình: Cái giá năng lượng phía sau mỗi cú nhấp chuột

Công nghệ số không vô hình: Cái giá năng lượng phía sau mỗi cú nhấp chuột

Trí tuệ nhân tạo (AI) đang mở ra một bước nhảy lớn về năng suất và cách con người xử lý thông tin, nhưng công nghệ số chưa bao giờ là “vô hình”.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/8/2026: Tuổi Tý vận trình khởi sắc, tuổi Ngọ cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/8/2026: Tuổi Tý 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 30/8/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
VAA nhìn lại 8 tháng hoạt động, xác định trọng tâm cho chặng đường phía trước

VAA nhìn lại 8 tháng hoạt động, xác định trọng tâm cho chặng đường phía trước

Sau 8 tháng đầu nhiệm kỳ 2025 - 2030, Hội Tự động hoá Việt Nam đã triển khai nhiều hoạt động nổi bật trong lĩnh vực khoa học công nghệ, kết nối doanh nghiệp, hợp tác quốc tế và phát triển hội viên. Bên cạnh những kết quả đạt được, Hội cũng thẳng thắn nhìn nhận những hạn chế trong một số hoạt động, qua đó xác định các trọng tâm nhằm củng cố nội lực, nâng cao hiệu quả hoạt động và từng bước xây dựng hệ sinh thái tự động hoá gắn kết chặt chẽ giữa Nhà nước, nhà khoa học, doanh nghiệp.
Phenikaa-X tham gia Dự án thử nghiệm xe buýt tự hành, robotaxi và robot giao hàng tại Hòa Lạc

Phenikaa-X tham gia Dự án thử nghiệm xe buýt tự hành, robotaxi và robot giao hàng tại Hòa Lạc

Hà Nội cho phép Công ty cổ phần Phenikaa-X thử nghiệm có kiểm soát hệ thống giao thông tự hành thông minh tại Khu Công nghệ cao Hòa Lạc và Đại học Quốc gia Hà Nội cơ sở Hòa Lạc trong 24 tháng.
Kỳ 5: VinFast và bài học công nghiệp Việt Nam

Kỳ 5: VinFast và bài học công nghiệp Việt Nam

Một chiếc xe điện khi lăn bánh trên phố được coi là sản phẩm tiêu dùng. Nhưng ở tầng sâu hơn, nó là bản tổng phổ của một nền công nghiệp ô tô gồm thân vỏ, pin, điện tử công suất, phần mềm, dây chuyền, tiêu chuẩn, chuỗi cung ứng và năng lực học hỏi dưới áp lực toàn cầu. VinFast, vì thế, không chỉ bán xe. Nó đặt ra một câu hỏi khó về tầm vóc công nghiệp Việt Nam.
Hà Nội rộn ràng trước thềm 2/9: Sân khấu ngoài trời, triển lãm ảnh, chiếu phim và loạt không gian sáng tạo

Hà Nội rộn ràng trước thềm 2/9: Sân khấu ngoài trời, triển lãm ảnh, chiếu phim và loạt không gian sáng tạo

Hướng tới kỷ niệm 81 năm Quốc khánh, Hà Nội liên tục tổ chức các chương trình nghệ thuật, chiếu phim, triển lãm, trưng bày sách báo và không gian sáng tạo, trải rộng từ khu vực trung tâm đến nhiều xã, phường.
Hạt sáng mùa Vu Lan báo hiếu

Hạt sáng mùa Vu Lan báo hiếu

Bên Vườn Táo Cổ ven sông Hồng, đêm Vu Lan trở thành cuộc hội ngộ của trà Việt, âm nhạc, thi ca và những nghi thức tri ân. Hoa đăng theo dòng nước, ánh đèn mang theo lời nguyện ước, còn chén trà đưa người dự trở về với chữ Hiếu, nguồn cội và những giá trị bền vững của văn hóa Việt.
Công nghiệp công nghệ số tăng tốc, doanh thu tháng 8 đạt hơn 680.000 tỷ đồng

Công nghiệp công nghệ số tăng tốc, doanh thu tháng 8 đạt hơn 680.000 tỷ đồng

Doanh thu công nghiệp công nghệ số tháng 8/2026 ước đạt 680.586 tỷ đồng, tăng 36% so với cùng kỳ năm 2025.
Phú Xuyên

Phú Xuyên 'mở khóa' quản trị trường học bằng dữ liệu và AI

Ngày 28/8/2026, gần 4.000 cán bộ quản lý, giáo viên, nhân viên của ngành Giáo dục bốn xã Phú Xuyên, Phượng Dực, Chuyên Mỹ và Đại Xuyên cùng tham gia chương trình bồi dưỡng trực tiếp kết hợp trực tuyến, khởi động một chiến lược vận hành mới cho năm học 2026-2027.