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
Nối nhịp thanh âm cùng bộ đôi Will và 14 Casper tại đêm nhạc Revolution 2026

Nối nhịp thanh âm cùng bộ đôi Will và 14 Casper tại đêm nhạc Revolution 2026

Góp mặt tại đêm nhạc Revolution 2026 ngày 27/10, hai nghệ sĩ Will và 14 Casper mang đến những màn trình diễn ấn tượng và khép lại đêm nhạc trong sự hưởng ứng của đông đảo sinh viên Học viện Báo chí và Tuyên truyền.
Thái Bình Dương hoàn thành 34 hạng mục xây dựng nhà máy thông minh

Thái Bình Dương hoàn thành 34 hạng mục xây dựng nhà máy thông minh

Sau 5 tháng triển khai, Công ty CP Cơ khí và Tự động hóa Thái Bình Dương hoàn thành toàn bộ 34 hạng mục cải tiến thuộc dự án Phát triển nhà máy thông minh 2026.
Thị trường chứng khoán ngày 29/10: Cổ phiếu dầu khí đồng loạt lao dốc, nhóm thép ngược dòng

Thị trường chứng khoán ngày 29/10: Cổ phiếu dầu khí đồng loạt lao dốc, nhóm thép ngược dòng

Sắc đỏ bao trùm bảng điện tử với 215 cổ phiếu giảm giá, còn VN Index mất hơn 11 điểm. Nhóm dầu khí đồng loạt chịu áp lực bán mạnh đã tác động tiêu cực đến chỉ số. Trong bối cảnh thanh khoản vẫn thấp và khối ngoại tiếp tục bán ròng, nhóm thép trở thành điểm sáng hiếm hoi của thị trường.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/10/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi cần thận trọng

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 30/10/2026: Tuổi Tỵ tài lộc khởi sắc, tuổi Mùi 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 30/10/2026 nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên và sức khỏe.
V-Green vận hành tổ hợp trạm sạc lớn nhất Việt Nam với hơn 1.000 cổng kết nối

V-Green vận hành tổ hợp trạm sạc lớn nhất Việt Nam với hơn 1.000 cổng kết nối

Công ty quản lý trạm sạc V-Green vừa chính thức đưa vào khai thác tổ hợp trạm sạc xe điện quy mô lớn nhất Việt Nam tại khu đô thị Vinhomes Riverside (Long Biên, Hà Nội).
AEF 2026: Chuyển hợp tác chiến lược thành động lực tăng trưởng thực chất

AEF 2026: Chuyển hợp tác chiến lược thành động lực tăng trưởng thực chất

Ngày 28/10/2026, tại TP. Hồ Chí Minh, Diễn đàn Kinh tế Mùa thu 2026 (AEF 2026) diễn ra phiên toàn thể cấp cao và các hoạt động đối thoại, kết nối đầu tư quan trọng. Diễn đàn ghi nhận những định hướng hợp tác mới giữa Việt Nam với các đối tác quốc tế, công bố văn kiện hợp tác chiến lược giữa TP. Hồ Chí Minh và Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF), công nhận 10 thành viên đầu tiên của Trung tâm Tài chính quốc tế Việt Nam tại TP. Hồ Chí Minh. Thông điệp xuyên suốt là chuyển từ kết nối, cam kết sang chương trình hành động, dự án cụ thể và kết quả có thể đo lường.
Thủ tướng Lê Minh Hưng nhấn mạnh thông điệp: Chuyển "từ đầu tư tại Việt Nam" sang "đầu tư cùng Việt Nam"

Thủ tướng Lê Minh Hưng nhấn mạnh thông điệp: Chuyển "từ đầu tư tại Việt Nam" sang "đầu tư cùng Việt Nam"

Sáng ngày 28/10/2026, trong khuôn khổ Diễn đàn Kinh tế Mùa thu 2026 (AEF 2026) diễn ra tại TP. Hồ Chí Minh, Thủ tướng Chính phủ Lê Minh Hưng đã có cuộc đối thoại với ông Stephan Mergenthaler - Giám đốc điều hành Diễn đàn Kinh tế Thế giới (WEF) về những thách thức của kinh tế toàn cầu, định hướng phát triển và vị thế của Việt Nam trong cấu trúc kinh tế mới. Tại cuộc đối thoại, Thủ tướng Lê Minh Hưng nhấn mạnh thông điệp chuyển từ “đầu tư tại Việt Nam” sang “đầu tư cùng Việt Nam”, hướng tới hợp tác lâu dài, cùng phát triển và chia sẻ trách nhiệm.
Nhận định phiên giao dịch ngày 29/10: Duy trì tỷ trọng ở mức trung bình, tránh mua đuổi

Nhận định phiên giao dịch ngày 29/10: Duy trì tỷ trọng ở mức trung bình, tránh mua đuổi

VN-Index tiếp tục duy trì xu hướng ngắn hạn tích cực khi đóng cửa trên các đường trung bình động MA10 và MA20. Tuy nhiên, sự thiếu đồng thuận giữa diễn biến giá và các chỉ báo động lượng cho thấy thị trường chưa có đủ cơ sở để bứt phá rõ ràng. Nhà đầu tư được khuyến nghị duy trì tỷ trọng cổ phiếu ở mức trung bình, tránh mua đuổi và ưu tiên các nhóm cổ phiếu có câu chuyện riêng.
Tự động hóa CNC: Không cần tắt đèn vẫn tăng năng suất và tối ưu lợi nhuận

Tự động hóa CNC: Không cần tắt đèn vẫn tăng năng suất và tối ưu lợi nhuận

Tự động hóa CNC không nhất thiết phải hướng đến nhà máy vận hành hoàn toàn không cần con người. Ngay cả khi dây chuyền vẫn sáng đèn và công nhân làm việc trực tiếp, các giải pháp tự động hóa phù hợp vẫn có thể giúp doanh nghiệp tăng năng suất, giảm phế phẩm và khai thác hiệu quả hơn nguồn nhân lực tay nghề cao.
Việt Nam nhận Giải thưởng Lãnh đạo Chính phủ 2026 của GSMA

Việt Nam nhận Giải thưởng Lãnh đạo Chính phủ 2026 của GSMA

Việt Nam được Hiệp hội Thông tin di động toàn cầu (GSMA) trao Giải thưởng Lãnh đạo Chính phủ năm 2026, ghi nhận những nỗ lực trong xây dựng chính sách, phát triển hạ tầng viễn thông và thúc đẩy chuyển đổi số. Giải thưởng đồng thời mở ra kỳ vọng Việt Nam tham gia sâu hơn vào quá trình phát triển và định hình hệ sinh thái số toàn cầu.
master