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
[E-Magazine] Từ những ca mổ của robot nghĩ về năng lực của cả bộ máy y tế

[E-Magazine] Từ những ca mổ của robot nghĩ về năng lực của cả bộ máy y tế

Chỉ một đường mở nhỏ giữa các xương sườn trong ca mổ nối Hà Nội với Cần Thơ, robot đang mở rộng tầm tay ngoại khoa. Nhưng phía sau một thao tác chính xác là cả hệ thống phải học cách vận hành. Việt Nam đã bước vào cuộc chuyển dịch công nghệ y học ấy và bài toán tiếp theo nằm ở khả năng biến thành tựu kỹ thuật thành lợi ích điều trị.
Hà Nội khẳng định vị thế trung tâm đổi mới sáng tạo

Hà Nội khẳng định vị thế trung tâm đổi mới sáng tạo

Hà Nội đạt 63,80 điểm, đứng đầu Chỉ số đổi mới sáng tạo cấp địa phương (PII) năm 2026. Kết quả phản ánh những lợi thế nổi bật của Thủ đô về nguồn nhân lực, nghiên cứu và phát triển, hoạt động đổi mới sáng tạo trong doanh nghiệp và khả năng tạo ra các sản phẩm tri thức, công nghệ.
Quy định mới về xét tặng các danh hiệu văn hóa

Quy định mới về xét tặng các danh hiệu văn hóa

Phó Thủ tướng Chính phủ Phạm Thị Thanh Trà thay mặt Chính phủ, ký Nghị định số 375/2026/NĐ-CP ngày 30/9/2026 sửa đổi, bổ sung một số điều của Nghị định số 86/2023/NĐ-CP ngày 07/12/2023 quy định về khung tiêu chuẩn và trình tự, thủ tục, hồ sơ xét tặng danh hiệu “Gia đình văn hóa”, “Thôn, tổ dân phố văn hóa”, “Xã, phường, thị trấn tiêu biểu”.
Nhận định phiên giao dịch ngày 5/10: Quản trị rủi ro, hạ tỷ trọng các nhóm ngành chịu áp lực bán mạnh

Nhận định phiên giao dịch ngày 5/10: Quản trị rủi ro, hạ tỷ trọng các nhóm ngành chịu áp lực bán mạnh

VN-Index nối dài đà giảm sang tuần thứ hai liên tiếp, mất 47,4 điểm trong tuần qua. Trong bối cảnh áp lực bán gia tăng và dòng tiền chưa cho thấy tín hiệu cải thiện rõ rệt, nhà đầu tư được khuyến nghị chủ động quản trị rủi ro, hạ tỷ trọng tại các nhóm ngành chịu áp lực bán mạnh và chờ tín hiệu xác nhận vùng cân bằng trước khi giải ngân.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/10/2026: Tuổi Tuất công việc hanh thông, tuổi Tỵ nên thận trọng tài chính

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 5/10/2026: Tuổi Tuất công việc hanh thông, tuổi Tỵ nên thận trọng tài chính

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 5/10/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Sách Đỏ Việt Nam giành Giải Nhất Sách khoa học, công nghệ 2026

Sách Đỏ Việt Nam giành Giải Nhất Sách khoa học, công nghệ 2026

Bộ Sách Đỏ Việt Nam gồm hai tập về động vật, thực vật và nấm đã được trao Giải Nhất Giải thưởng Sách khoa học, công nghệ, đổi mới sáng tạo và chuyển đổi số năm 2026, ghi nhận giá trị khoa học và đóng góp đối với công tác bảo tồn đa dạng sinh học.
AI Vision: Từ “mắt thần” đến giá trị thực trong nhà máy

AI Vision: Từ “mắt thần” đến giá trị thực trong nhà máy

Không chỉ ghi hình hay phát hiện sản phẩm lỗi, AI Vision đang được đưa sâu hơn vào dây chuyền sản xuất, từ kiểm tra ngoại quan, lắp ráp đến phân loại và xử lý sản phẩm.
Việt Nam mở không gian tăng trưởng mới từ không gian tầm thấp

Việt Nam mở không gian tăng trưởng mới từ không gian tầm thấp

Bộ Chính trị vừa ban hành Kết luận số 99-KL/TW ngày 28/9/2026 về khai thác, quản trị và bảo vệ không gian tầm thấp phục vụ phát triển đất nước trong tình hình mới. Đây được xác định là một không gian phát triển mới, đồng thời là tài nguyên quốc gia và không gian chủ quyền đặc biệt, mở ra dư địa cho một ngành kinh tế - kỹ thuật mới của Việt Nam.
Xe điện Audi A6 lập kỷ lục thế giới: Chạy 1.338 km sau một lần sạc

Xe điện Audi A6 lập kỷ lục thế giới: Chạy 1.338 km sau một lần sạc

Tổ chức Kỷ lục Guinness Thế giới (Guinness World Records) vừa chính thức xác nhận mẫu xe hạng sang thuần điện Audi A6 Sportback e-tron đã hoàn thành hành trình dài 1.338 km chỉ sau một lần sạc pin.
Kỳ 10: Hành trình xanh và những câu hỏi còn để ngỏ

Kỳ 10: Hành trình xanh và những câu hỏi còn để ngỏ

Một hành trình xanh đáng tin không phải hành trình không có câu hỏi khó. Trái lại, nó đáng tin vì dám đi qua câu hỏi khó bằng dữ liệu, minh bạch và năng lực sửa sai. Sau những chiếc xe điện, trạm sạc, tài xế, nhà máy, viên pin và tham vọng đi ra thế giới, điều còn lại không phải lời khen. Điều còn lại là một niềm tin có điều kiện.
master