acecook

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
mca
Tin bài khác
Nhận định phiên giao dịch ngày 25/8: Áp lực điều chỉnh chưa hạ nhiệt

Nhận định phiên giao dịch ngày 25/8: Áp lực điều chỉnh chưa hạ nhiệt

Thị trường chứng khoán khép lại tuần giao dịch đầy biến động khi VN-Index mất hơn 40 điểm, toàn bộ 18 nhóm ngành đồng loạt giảm. Bước sang ngày 25/8, giới phân tích dự báo chỉ số sẽ tiếp tục đối diện áp lực điều chỉnh và thử thách vùng hỗ trợ then chốt.
Tăng cường bảo mật cho các dự án IoT 5G quy mô lớn

Tăng cường bảo mật cho các dự án IoT 5G quy mô lớn

Khi các doanh nghiệp mở rộng triển khai Internet vạn vật (IoT - Internet of Things) trên nền tảng 5G trong nhiều ngành công nghiệp, họ phải đối mặt với những thách thức an ninh mạng mới, đòi hỏi các chiến lược được cập nhật liên tục.
Gỡ vướng mắc, tạo hành lang pháp lý thuận lợi để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn

Gỡ vướng mắc, tạo hành lang pháp lý thuận lợi để phát triển ngành công nghiệp bán dẫn

Văn phòng Chính phủ ban hành Thông báo số 439/TB-VPCP ngày 22/8/2025 kết luận của Ban Chỉ đạo quốc gia về phát triển ngành công nghiệp bán dẫn tại Phiên họp thứ hai ngày 04 tháng 8 năm 2025.
Bộ KH&CN ra mắt logo mới, khẳng định khát vọng đổi mới trong kỷ nguyên số

Bộ KH&CN ra mắt logo mới, khẳng định khát vọng đổi mới trong kỷ nguyên số

Ngày 22/8 tại Đà Nẵng, trong buổi gặp mặt cán bộ hưu trí ngành Bưu chính, Khoa học và Công nghệ, nhân kỷ niệm 80 năm thành lập, Bộ KH&CN chính thức ra mắt logo mới sau hợp nhất, khẳng định khát vọng đổi mới, dẫn dắt công nghệ và khơi dậy tinh thần sáng tạo Việt Nam trong kỷ nguyên số.
Robot bốn chân siêu cơ động: Chạy, leo, nhảy và phá kính

Robot bốn chân siêu cơ động: Chạy, leo, nhảy và phá kính

Nhà phát triển robot Trung Quốc Unitree vừa giới thiệu A2 Stellar Explorer, một robot bốn chân hiệu suất cao có thể đạt tốc độ tối đa 5m/s (tương đương 18 km/h) nhanh gấp ba lần so với Spot của Boston Dynamics và mang tải trọng lên tới 25kg.
Hoạt động khởi nghiệp sáng tạo TP. Hồ Chí Minh có thêm động lực để phát triển

Hoạt động khởi nghiệp sáng tạo TP. Hồ Chí Minh có thêm động lực để phát triển

“Trong nhiều năm qua, hệ sinh thái khởi nghiệp TP. Hồ Chí Minh thu hút hơn 2.000 doanh nghiệp khởi nghiệp, sự tham gia của hơn 100 quỹ đầu tư mạo hiểm và hơn 20.000 cá nhân hoạt động trong lĩnh vực khoa học và công nghệ. TP. Hồ Chí Minh cũng hợp tác chặt chẽ với các tập đoàn công nghệ hàng đầu thế giới như AMD, NVIDIA, Qualcomm, Mitsubishi; các đối tác quốc để cùng Thành phố phát triển công nghệ, xây dựng hệ sinh thái khởi nghiệp đổi mới sáng tạo”.
Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/8/2025: Tuổi Sửu một ngày may mắn, tuổi Dậu tiêu tốn tiền bạc

Tử vi vòng quay công nghệ ngày 25/8/2025: Tuổi Sửu một ngày may mắn, tuổi Dậu tiêu tốn 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 25/8/2025 cho tất cả các tuổi nhằm dự đoán vận hạn về công danh, tiền bạc, tình duyên, sức khỏe...
[E-Magazine] Hệ thống điều khiển không lưu - “Nhạc trưởng” của bầu trời

[E-Magazine] Hệ thống điều khiển không lưu - “Nhạc trưởng” của bầu trời

Đã bao giờ bạn ngồi bên cửa sổ máy bay, nhìn xuống mây trắng bồng bềnh và thắc mắc: "Trên trời có hàng ngàn chiếc máy bay bay cùng lúc, sao không xảy ra va chạm?" Hay khi nghe phi công thông báo: "Chúng ta đang chờ đài kiểm soát cho phép hạ cánh," bạn có từng tưởng tượng rằng đâu đó đang có một “bộ óc siêu việt” điều phối mọi chuyển động trên không?
Tái cấu trúc hệ thống an toàn tại các nhà máy lọc dầu

Tái cấu trúc hệ thống an toàn tại các nhà máy lọc dầu

Ngày càng có nhiều nhà máy thay thế PLC bằng các hệ thống an toàn phần cứng có khả năng chống tấn công mạng, chi phí hợp lý, mang lại độ tin cậy mà không làm tăng thêm sự phức tạp.
Điểm xét tuyển ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa năm nay giảm ở một số trường

Điểm xét tuyển ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa năm nay giảm ở một số trường

Tính đến hết ngày 23/8, hầu hết các trường đại học trên cả nước đã công bố điểm chuẩn. Nhóm ngành Kỹ thuật điều khiển và Tự động hóa năm nay vẫn là ngành “hot”. Những trường top đầu vẫn giữ phong độ điểm cao, nhưng điểm xét tuyển ở một số trường như Trường Đại học Thủy lợi, Trường Đại học Kỹ thuật Thái Nguyên.,... năm nay giảm đầu vào so với điểm xét tuyển năm ngoái.
song-gia-tri