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
Nhận định phiên giao dịch ngày 9/4: Nắm giữ những cổ phiếu có nền tảng cơ bản vững chắc

Nhận định phiên giao dịch ngày 9/4: Nắm giữ những cổ phiếu có nền tảng cơ bản vững chắc

VN-Index bật tăng mạnh trong phiên ngày 8/4, thanh khoản cải thiện và lấy lại các ngưỡng kỹ thuật quan trọng, củng cố xu hướng hồi phục của thị trường; trong bối cảnh đó, nhà đầu tư được khuyến nghị tiếp tục nắm giữ các cổ phiếu có nền tảng cơ bản tốt và triển vọng tăng trưởng rõ ràng.
Trung Quốc ban hành bộ tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên cho robot hình người

Trung Quốc ban hành bộ tiêu chuẩn quốc gia đầu tiên cho robot hình người

Lần đầu tiên, Trung Quốc công bố hệ thống tiêu chuẩn quốc gia toàn diện cho robot hình người và trí tuệ hiện thân, bao trùm toàn bộ chuỗi công nghiệp và vòng đời sản phẩm. Động thái này được xem là bước đi quan trọng nhằm định hình “luật chơi” và thúc đẩy thương mại hóa trong lĩnh vực công nghệ đang tăng tốc mạnh mẽ.
AI giám sát quá trình làm chín phô mai

AI giám sát quá trình làm chín phô mai

Ngành công nghiệp thực phẩm toàn cầu đang bước vào giai đoạn chuyển đổi mạnh mẽ trong lĩnh vực kiểm soát chất lượng nhờ sự phát triển của trí tuệ nhân tạo (AI) và công nghệ thị giác máy tính. Việc kết hợp các thuật toán học sâu với các hệ thống thị giác máy tính dựa trên quy tắc đang giúp tự động hóa những quy trình trước đây phụ thuộc hoàn toàn vào lao động thủ công. Một ví dụ điển hình là giải pháp tự động hóa quy trình làm chín phô mai do Eberle Automatische Systeme phát triển cho nhà sản xuất sữa Gebr. Baldauf GmbH & Co. KG tại Đức.
Ngân hàng nhỏ dồn lực tăng vốn điều lệ, gia cố "bộ đệm" đón tăng trưởng

Ngân hàng nhỏ dồn lực tăng vốn điều lệ, gia cố "bộ đệm" đón tăng trưởng

Nhiều ngân hàng nhỏ lên kế hoạch tăng vốn điều lệ quy mô lớn nhằm củng cố nền tảng cho những mục tiêu lợi nhuận và đáp ứng các tiêu chuẩn an toàn vốn ngày càng cao.
Phát động “Giải thưởng Báo chí tuyên truyền về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả năm 2026”

Phát động “Giải thưởng Báo chí tuyên truyền về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả năm 2026”

Ngày 8/4, Bộ Công Thương phối hợp với Hội Nhà báo Việt Nam tổ chức lễ phát động “Giải thưởng Báo chí tuyên truyền về sử dụng năng lượng tiết kiệm và hiệu quả năm 2026”.
Sự kiện“Ánh Hồng” - Hành trình cho em vươn tới ước mơ

Sự kiện“Ánh Hồng” - Hành trình cho em vươn tới ước mơ

Sự kiện “Ánh Hồng” được tổ chức bởi The Up Project với mục tiêu đồng hành cùng các em nhỏ vùng cao, mang đến cho các em cơ hội học tập tốt hơn và giúp các em vươn tới những ước mơ tươi sáng.
Prudential Việt Nam công bố kết quả kinh doanh năm 2025

Prudential Việt Nam công bố kết quả kinh doanh năm 2025

Ngày 08/04/2026 tại Thành phố Hồ Chí Minh, công ty TNHH Bảo hiểm Nhân thọ Prudential Việt Nam (“Prudential Việt Nam”) công bố kết quả tài chính cho năm kết thúc ngày 31 tháng 12 năm 2025, đánh dấu một năm hoạt động bền vững với trọng tâm nhất quán vào chất lượng tăng trưởng và kỷ luật thực thi.
Đồng chí Vũ Hải Quân giữ chức Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ

Đồng chí Vũ Hải Quân giữ chức Bộ trưởng Bộ Khoa học và Công nghệ

Với tỷ lệ trúng cử 91,51%, đồng chí Vũ Hải Quân, Thứ trưởng Thường trực Bộ Khoa học và Công nghệ (Bộ KH&CN), được Quốc hội phê chuẩn bổ nhiệm giữ chức Bộ trưởng nhiệm kỳ 2026-2031).
Bà Lâm Thị Phương Thanh giữ chức Bộ trưởng Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch

Bà Lâm Thị Phương Thanh giữ chức Bộ trưởng Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch

Bà Lâm Thị Phương Thanh được Quốc hội phê chuẩn bổ nhiệm giữ chức Bộ trưởng Bộ Văn hóa, Thể thao và Du lịch nhiệm kỳ 2026-2031.
Quốc hội phê chuẩn bổ nhiệm 6 Phó Thủ tướng, các Bộ trưởng và thành viên Chính phủ

Quốc hội phê chuẩn bổ nhiệm 6 Phó Thủ tướng, các Bộ trưởng và thành viên Chính phủ

Với 100% đại biểu có mặt tán thành, Quốc hội đã biểu quyết thông qua các Nghị quyết về phê chuẩn việc bổ nhiệm 6 Phó Thủ tướng Chính phủ, các Bộ trưởng và thành viên của Chính phủ nhiệm kỳ 2026-2031.
song-gia-tri