Cảm biến lượng tử kim cương: Bước tiến mới trong giám sát pin xe điện

Mới đây, các nhà khoa học Nhật Bản từ Viện Khoa học Tokyo (ISCT) đã tạo ra một cảm biến lượng tử kim cương siêu nhạy có khả năng đo dòng điện cực nhỏ với độ chính xác cao. Phát minh này có thể góp phần nâng cao hiệu suất, tuổi thọ và độ an toàn của pin xe điện (EV) trong tương lai.

Hình ảnh viên kim cương. Ảnh: iStock

Hạn chế của công nghệ giám sát pin hiện tại

Ngành công nghiệp xe điện (EV) ngày càng phát triển, nhu cầu về các công nghệ giám sát pin tiên tiến đang trở nên cấp thiết.

Hiện nay, các cảm biến giám sát pin EV thường gặp nhiều hạn chế như tổn hao năng lượng, sinh nhiệt cao, độ chính xác thấp và khó phát hiện những dao động nhỏ trong dòng điện. Những yếu tố này ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng quản lý năng lượng và hiệu suất tổng thể của xe điện.

Trong khi đó, cảm biến lượng tử kim cương được đánh giá là một giải pháp tiềm năng nhờ khả năng phát hiện từ trường cực nhỏ. Tuy nhiên, các tinh thể kim cương dùng trong công nghệ này thường có kích thước rất nhỏ, chỉ vài milimét, gây khó khăn trong việc ứng dụng rộng rãi.

Cảm biến lượng tử kim cương từ Viện Khoa học Tokyo

Để khắc phục hạn chế về kích thước, các nhà nghiên cứu Nhật Bản từ Viện Khoa học Tokyo (ISCT) đã phát triển một đế kim cương diện tích lớn với các trung tâm nitơ trống (NV) trên một đế không phải kim cương. Nền tảng này được tạo ra nhờ công nghệ tăng trưởng dị hướng (heteroepitaxial growth), giúp tích hợp các trung tâm NV vào mạng lưới kim cương một cách chính xác.

Sơ đồ cho thấy quá trình sản xuất cảm biến lượng tử kim cương. Nguồn: Kajiyama và cộng sự (2025)/Advanced Quantum Technologies

Quá trình chế tạo bao gồm các bước chính sau:

Lựa chọn đế không phải kim cương nhưng tương thích với công nghệ tăng trưởng dị hướng.

Sử dụng phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) để phủ một lớp màng kim cương lên đế này, đảm bảo kiểm soát chính xác cấu trúc tinh thể.

Thêm một lớp kim cương NV dày 150 micromet giúp phát hiện thay đổi từ tính cực nhỏ.

Điều chỉnh nồng độ khuyết tật nitơ ở mức 8 phần triệu (ppm) nhằm tối ưu hóa hiệu suất cảm biến.

Tích hợp cơ chế điều chỉnh độ nghiêng để đảm bảo hoạt động ổn định.

Hiệu suất ấn tượng của cảm biến lượng tử kim cương

Các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm cảm biến bằng kỹ thuật cộng hưởng từ quang phát hiện (ODMR), một phương pháp đo từ trường dựa trên ánh sáng và sóng vi ba. Kết quả thử nghiệm cho thấy cảm biến có thể đo dòng điện nhỏ đến 10 miliampe trong khoảng thời gian từ 10 mili giây đến 100 giây với độ chính xác cao.

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.

Khả năng phát hiện những dao động nhỏ trong dòng điện là yếu tố then chốt giúp tối ưu hóa tuổi thọ và hiệu suất của pin xe điện. Giáo sư Mutsuko Hatano từ ISCT nhận định: “Khả năng đo dòng điện chính xác trong khi giảm thiểu nhiễu khiến cảm biến này trở thành một ứng cử viên đầy hứa hẹn cho hệ thống giám sát pin xe điện, nơi mà độ chính xác và độ tin cậy là tối quan trọng.”

Với thành công bước đầu, nhóm nghiên cứu tại ISCT đang tiếp tục tìm cách tăng mật độ trung tâm NV trong cảm biến để nâng cao hiệu suất hơn nữa. Nếu thành công, công nghệ này có thể sớm được tích hợp vào các dòng xe điện thương mại, giúp cải thiện đáng kể khả năng quản lý năng lượng, tối ưu hóa tuổi thọ pin và tăng độ an toàn cho người dùng.

Sự ra đời của cảm biến lượng tử kim cương đánh dấu một bước tiến quan trọng trong lĩnh vực xe điện và công nghệ lượng tử. Trong tương lai, những nghiên cứu tiếp theo hứa hẹn sẽ mở ra nhiều ứng dụng đột phá hơn, không chỉ trong ngành công nghiệp ô tô mà còn trong các lĩnh vực công nghệ cao khác.

Theo tạp chí Điện tử và Ứng dụng