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
Tech4Life 2026: Đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm vào đời sống

Tech4Life 2026: Đưa công nghệ từ phòng thí nghiệm vào đời sống

Với chủ đề “Công nghệ nâng tầm cuộc sống”, Tech4Life 2026 đặt trọng tâm vào khả năng biến công nghệ lõi, trí tuệ nhân tạo và dữ liệu thành động lực tăng năng suất, mở rộng không gian phát triển kinh tế và giải quyết những bài toán thực tiễn của TP. Hồ Chí Minh.
ACCA - VIFC Forum 2026 thúc đẩy phát triển nhân lực tài chính quốc tế

ACCA - VIFC Forum 2026 thúc đẩy phát triển nhân lực tài chính quốc tế

Trong tiến trình đưa Trung tâm tài chính quốc tế Việt Nam tại TP. Hồ Chí Minh (VIFC-HCMC) từng bước đi vào vận hành, việc xây dựng một hệ sinh thái tài chính đáp ứng các chuẩn mực quốc tế, có tính minh bạch cao. Đội ngũ nhân lực chuyên môn chất lượng cao tại VIFC-HCMC được xác định là một trong những nền tảng quan trọng để củng cố niềm tin thị trường và kết nối hiệu quả với dòng vốn quốc tế.
Thị trường chứng khoán ngày 17/9: Dòng tiền lớn nhập cuộc, VN Index tăng gần 13 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 17/9: Dòng tiền lớn nhập cuộc, VN Index tăng gần 13 điểm

Bất chấp thông tin Fed tăng lãi suất, VN Index vẫn tăng 12,66 điểm và đóng cửa trên 1.820 điểm khi dòng tiền trở lại ngân hàng, chứng khoán và bán lẻ. Thanh khoản tăng hơn 20% giúp củng cố tín hiệu hồi phục, dù khối ngoại quay lại bán ròng.
SHOWCASE AC 2026 đưa câu chuyện buôn bán người lên sân khấu qua ngôn ngữ vũ đạo

SHOWCASE AC 2026 đưa câu chuyện buôn bán người lên sân khấu qua ngôn ngữ vũ đạo

Từ hình ảnh “mắt lưới” gắn với biển cả và làng chài, SHOWCASE AC 2026 khai thác câu chuyện về những nạn nhân của nạn buôn bán người và cưỡng bức lao động, qua đó gửi gắm thông điệp về tình thân, sự đồng cảm và khát vọng trở về.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/9/2026: Tuổi Mão vận trình hanh thông, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 18/9/2026: Tuổi Mão vận trình hanh thông, tuổi Dậu nên thận trọng tiền bạc

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 18/9/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
NATIF tài trợ tới 3 tỷ đồng cho nhiệm vụ ứng dụng AI

NATIF tài trợ tới 3 tỷ đồng cho nhiệm vụ ứng dụng AI

Quỹ Đổi mới công nghệ quốc gia (NATIF) thông báo tiếp nhận hồ sơ đề nghị tài trợ nhiệm vụ đổi mới công nghệ ứng dụng trí tuệ nhân tạo (AI) năm 2026. Mức tài trợ từ ngân sách nhà nước tối đa 3 tỷ đồng/nhiệm vụ; thời gian thực hiện không quá 12 tháng.
Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Khi ransomware tìm đến nhà máy: vì sao hệ thống OT Việt Nam cần thêm lá chắn một chiều mang tên Data Diode

Đầu năm 2024, hàng loạt tổ chức lớn tại Việt Nam trong các lĩnh vực tài chính, năng lượng và bưu chính liên tiếp hứng chịu các cuộc tấn công mã hoá dữ liệu (ransomware) gây gián đoạn dịch vụ trên diện rộng, thu hút sự chú ý của cả giới công nghệ lẫn báo chí trong nước.
AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

AI mở rộng khả năng khám phá vật liệu, chẩn đoán thông minh

Ngày 14/9, tại Hà Nội, Trung tâm Dữ liệu và Thông tin khoa học, Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam phối hợp với Trung tâm Đổi mới sáng tạo và Công nghệ Vật liệu, Trường Đại học VinUni và Hội Vật lý Việt Nam tổ chức bài giảng đại chúng “AI với Vật lý”.
Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Nhận định phiên giao dịch ngày 17/9: Tập trung tỷ trọng vào cổ phiếu giữ vững xu hướng tích cực

Sau phiên giao dịch giằng co quanh mốc 1.810 điểm, dòng tiền vẫn duy trì trạng thái thận trọng trước quyết định lãi suất của Fed. Trong bối cảnh thị trường phân hóa, nhà đầu tư được khuyến nghị tập trung vào những cổ phiếu đang giữ vững xu hướng giá tích cực.
BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

BSR mở rộng hợp tác nguồn cung ethanol và nhiên liệu sinh học

Tổng công ty Lọc hóa dầu Việt Nam (BSR) đang thúc đẩy hợp tác với Công ty TNHH Đầu tư công nghệ sinh học SDIC (SDIC Biotech) nhằm tăng cường nguồn cung ethanol phục vụ sản xuất xăng E10, đồng thời tìm kiếm cơ hội hợp tác trong các lĩnh vực nhiên liệu sinh học và năng lượng xanh.