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
ar
Tin bài khác
Phát biểu của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm tại Hội nghị quán triệt và triển khai Nghị quyết Hội nghị Trung ương 2 khóa XIV

Phát biểu của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm tại Hội nghị quán triệt và triển khai Nghị quyết Hội nghị Trung ương 2 khóa XIV

Sáng 13/4, tại Hà Nội, Bộ Chính trị, Ban Bí thư Trung ương Đảng đã tổ chức Hội nghị toàn quốc nghiên cứu, học tập, quán triệt và triển khai thực hiện Nghị quyết Hội nghị lần thứ hai Ban Chấp hành Trung ương Đảng khóa XIV. Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm dự và phát biểu chỉ đạo Hội nghị. Tạp chí Tự động hoá Ngày nay trân trọng giới thiệu toàn văn phát biểu của Tổng Bí thư, Chủ tịch nước Tô Lâm.
Mô hình hóa và dự đoán phát thải carbon công nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh bằng học máy

Mô hình hóa và dự đoán phát thải carbon công nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh bằng học máy

Nghiên cứu này so sánh bốn mô hình gồm Hồi quy tuyến tính, ARIMA, SVR và Rừng ngẫu nhiên trong dự báo phát thải CO₂ công nghiệp tại Thành phố Hồ Chí Minh. Kết quả cho thấy Hồi quy tuyến tính đa biến (MLR) và SVR tối ưu đạt hiệu năng tốt nhất, với R² lần lượt là 0,932 và 0,923, trong khi Random Forest và ARIMA cho R² âm do hạn chế của bộ dữ liệu chuỗi thời gian nhỏ (n = 52). Phân tích cũng xác nhận giao thông vận tải là động lực ngoại sinh quan trọng nhất đối với phát thải CO₂ công nghiệp của thành phố. Trên cơ sở đó, mô hình MLR ước tính phát thải CO₂ công nghiệp năm 2026 đạt 123,79 Mt CO₂, cung cấp cơ sở tham khảo cho lựa chọn mô hình và ưu tiên giảm phát thải theo ngành.
Hợp tác Việt - Nga: Kỳ vọng bứt phá từ liên kết công nghiệp địa phương

Hợp tác Việt - Nga: Kỳ vọng bứt phá từ liên kết công nghiệp địa phương

Diễn đàn doanh nghiệp “tỉnh Sverdlovsk (Nga) - Việt Nam: Các xu hướng hợp tác công nghiệp hiện nay” diễn ra ngày 8/4 tại Hà Nội đã thu hút đông đảo doanh nghiệp, hiệp hội và cơ quan quản lý hai nước, mở ra nhiều cơ hội kết nối cung - cầu, thúc đẩy hợp tác trong các lĩnh vực công nghiệp, năng lượng và công nghệ.
VAA thúc đẩy hợp tác công nghệ với đoàn doanh nghiệp tỉnh Sverdlovsk (Nga)

VAA thúc đẩy hợp tác công nghệ với đoàn doanh nghiệp tỉnh Sverdlovsk (Nga)

Hội Tự động hóa Việt Nam (VAA) đã có buổi tiếp đón và làm việc với đoàn doanh nghiệp tỉnh Sverdlovsk (Liên bang Nga), mở ra nhiều cơ hội hợp tác trong các lĩnh vực cơ khí, tự động hóa, vật liệu và năng lượng.
Nhận định phiên giao dịch ngày 13/4: Có thể giải ngân từng phần tại các nhịp rung lắc

Nhận định phiên giao dịch ngày 13/4: Có thể giải ngân từng phần tại các nhịp rung lắc

Phiên giao dịch ngày mai được dự báo tiếp tục xu hướng hồi phục trong ngắn hạn nhưng sẽ xuất hiện các nhịp rung lắc khi tiến gần vùng kháng cự. Nhà đầu tư có thể cân nhắc giải ngân từng phần, ưu tiên các cổ phiếu có xu hướng tăng rõ ràng.
[E-Magazine] Điều khiển học và giới hạn đạo đức của tự động hóa

[E-Magazine] Điều khiển học và giới hạn đạo đức của tự động hóa

Điều khiển học khởi sinh từ phòng thí nghiệm giữa thế kỷ XX, nhưng hôm nay đã trở thành nền tảng vận hành của quốc gia số. Khi vòng phản hồi không chỉ điều chỉnh máy móc mà điều chỉnh cả hành vi con người, vấn đề không còn là năng suất mà là chủ quyền, trách nhiệm và giới hạn đạo đức của quyền lực công nghệ.
Hội An và Đà Nẵng dẫn đầu bảng xếp hạng điểm đến "ít người biết" nhưng giàu trải nghiệm toàn cầu

Hội An và Đà Nẵng dẫn đầu bảng xếp hạng điểm đến "ít người biết" nhưng giàu trải nghiệm toàn cầu

Hai điểm đến nổi tiếng của Việt Nam là Hội An và Đà Nẵng vừa được vinh danh ở hai vị trí cao nhất trong bảng xếp hạng những địa điểm du lịch độc đáo, chi phí hợp lý do tạp chí Travel + Leisure công bố, tiếp tục khẳng định sức hút của du lịch Việt trên bản đồ thế giới.
Astrotales’26: Ourania và tìm hiểu thiên văn học qua trải nghiệm khám phá vũ trụ

Astrotales’26: Ourania và tìm hiểu thiên văn học qua trải nghiệm khám phá vũ trụ

Lấy cảm hứng từ hành trình khám phá vũ trụ của nhân loại và hình tượng nữ thần bầu trời Ourania, Ban Tổ chức Astrotales’26: Ourania lựa chọn chủ đề du hành xuyên thời gian, tái hiện các cột mốc lịch sử thiên văn học qua góc nhìn sáng tạo và giàu tính tương tác. Sự kiện mở ra một thế giới nơi người tham gia không chỉ quan sát mà còn trực tiếp “bước vào” dòng chảy thời gian, khám phá những thành tựu vĩ đại đã đưa con người tiến gần hơn tới các vì sao.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 13/4/2026: Tuổi Mùi tình trạng bấp bênh, tuổi Hợi sự nghiệp may mắn

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 13/4/2026: Tuổi Mùi tình trạng bấp bênh, tuổi Hợi sự nghiệp may mắn

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 13/4/2026 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
Sa Pa vào top 53 thị trấn đẹp nhất thế giới

Sa Pa vào top 53 thị trấn đẹp nhất thế giới

Được Condé Nast Traveller vinh danh trong danh sách 53 thị trấn đẹp nhất thế giới, Sa Pa gây ấn tượng khi trở thành đại diện tiêu biểu cho xu hướng du lịch chậm - nơi du khách tìm đến để trải nghiệm sâu, sống chậm và kết nối với thiên nhiên, văn hóa bản địa.
song-gia-tri