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
Gần 300 doanh nghiệp tham gia Triển lãm Quốc tế Vietbuild tại TP. Hồ Chí Minh

Gần 300 doanh nghiệp tham gia Triển lãm Quốc tế Vietbuild tại TP. Hồ Chí Minh

Diễn ra từ ngày12 - 16/8/2026 tại TP. Hồ Chí Minh, Triển lãm Quốc tế Vietbuild lần thứ 2 đã quy tụ hơn 1.000 gian hàng của gần 300 doanh nghiệp trong và ngoài nước. Các doanh nghiệp đã giới thiệu hàng nghìn sản phẩm, công nghệ mới, công nghệ tiên tiến và các thương hiệu trong lĩnh vực xây dựng, bất động sản, kiến trúc, trang trí nội ngoại thất.
Kết nối cung - cầu, mở rộng cơ hội hợp tác thương mại

Kết nối cung - cầu, mở rộng cơ hội hợp tác thương mại

Ngày 26/8, tại Trung tâm Triển lãm Việt Nam (VEC), Hội Tự động hóa Việt Nam sẽ tổ chức Diễn đàn Đại lý Máy công cụ Việt Nam 2026 với chủ đề “Kết nối & Hợp tác thương mại”, hướng tới tăng cường liên kết giữa nhà sản xuất, nhà phân phối, doanh nghiệp sản xuất và người mua trong lĩnh vực máy công cụ, CNC và tự động hóa.
Đề xuất 6 nhóm chính sách thúc đẩy phát triển công nghiệp văn hóa

Đề xuất 6 nhóm chính sách thúc đẩy phát triển công nghiệp văn hóa

Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch đang lấy ý kiến nhân dân đối với dự thảo Luật Công nghiệp văn hóa nhằm xác định đúng các cơ chế, chính sách mang tính then chốt để tạo khung khổ pháp lý thúc đẩy phát triển công nghiệp văn hóa.
Đổi mới cách triển khai nhiệm vụ công nghệ chiến lược, lấy kết quả làm thước đo

Đổi mới cách triển khai nhiệm vụ công nghệ chiến lược, lấy kết quả làm thước đo

Chương trình khoa học, công nghệ và đổi mới sáng tạo quốc gia đặc biệt về công nghệ chiến lược đặt mục tiêu lấy sản phẩm và thương mại hóa làm thước đo hiệu quả, chuyển mạnh từ quản lý theo thủ tục sang quản lý theo kết quả đầu ra, với doanh nghiệp giữ vai trò trung tâm.
Thị trường chứng khoán ngày 13/8: Thất bại trước mốc 1.800, VN Index “rơi” gần 28 điểm

Thị trường chứng khoán ngày 13/8: Thất bại trước mốc 1.800, VN Index “rơi” gần 28 điểm

Mốc 1.800 điểm tiếp tục trở thành “bức tường” khó vượt khi VN Index tiếp cận mốc này rồi quay đầu giảm gần 28 điểm. Từ nhóm Vin lực bán lan rộng đến ngân hàng, chứng khoán và bất động sản, trong khi thanh khoản tăng mạnh báo hiệu áp lực bán đã thực sự tăng mạnh.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/8/2026: Tuổi Tuất vận trình khởi sắc, tuổi Mùi nên tránh phân tâm

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 14/8/2026: Tuổi Tuất vận trình khởi sắc, tuổi Mùi nên tránh phân tâm

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 14/8/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
Mô hình kinh tế tự chủ với triết lý bản địa dân tộc Việt

Mô hình kinh tế tự chủ với triết lý bản địa dân tộc Việt

Trong kỷ nguyên công nghệ, việc hội nhập sâu rộng cùng nền kinh tế thị trường ngày càng hoàn thiện đã thúc đẩy các quốc gia phát triển nghệ thuật quản trị nguồn lực nhằm nâng cao chất lượng sống của người dân.
Kết nối hệ sinh thái tài chính - năng lượng với thẻ đồng thương hiệu Petrolimex - BIDV - Visa

Kết nối hệ sinh thái tài chính - năng lượng với thẻ đồng thương hiệu Petrolimex - BIDV - Visa

Ngày 12/8 tại Hà Nội, Ngân hàng TMCP Đầu tư và Phát triển Việt Nam (BIDV) phối hợp với Tập đoàn Xăng dầu Việt Nam (Petrolimex) và Tổ chức thẻ Visa chính thức ra mắt Bộ thẻ đồng thương hiệu Petrolimex - BIDV - Visa, mang đến giải pháp thanh toán hiện đại, thuận tiện cùng hệ thống ưu đãi và tích điểm thiết thực dành cho khách hàng cá nhân và doanh nghiệp.
Người Việt ưu tiên sự độc lập về tài chính và không muốn trở thành gánh nặng khi về già

Người Việt ưu tiên sự độc lập về tài chính và không muốn trở thành gánh nặng khi về già

Tuổi thọ gia tăng không chỉ kéo dài cuộc sống mà còn đặt ra những thách thức mới về sự phụ thuộc trong giai đoạn sau của cuộc đời. Kết quả Khảo sát Manulife Asia Care 2026 từ 1.000 người Việt Nam cho thấy một xu hướng đáng chú ý: việc duy trì cuộc sống độc lập và tự chủ khi về già đang trở thành ưu tiên hàng đầu của người Việt.
Từ SCADA phân tán đến nền tảng Vận hành nước hợp nhất

Từ SCADA phân tán đến nền tảng Vận hành nước hợp nhất

Bài viết đề xuất một mô hình khái niệm cho Nền tảng vận hành nước hợp nhất (Unified Water Operations Platform - UWOP), trong đó dữ liệu từ nguồn nước, nhà máy, trạm bơm và mạng phân phối được chuẩn hóa theo ngữ cảnh tài sản trước khi tổng hợp thành chỉ số phục vụ ra quyết định.
song-gia-tri