"Lượng tử" cũng là vai trò hàng đầu trong cảm biến pin EV, đo lường chính xác cao với kim cương
"Lượng tử" cũng là vai trò hàng đầu trong cảm biến pin EV, đo lường chính xác cao với kim cương
Công nghệ lượng tử, cách mạng hóa máy tính, sắp phổ biến đến các cảm biến đo các đại lượng vật lý như nhiệt độ và từ trường. Điểm mạnh của nó nằm ở khả năng đạt độ chính xác cực cao. Nó có nhiều mục đích sử dụng, từ cải thiện hiệu suất của xe điện (EV) đến làm sáng tỏ các bệnh tật. Đến năm 2050, chúng ta có thể có một cảm biến giám sát từng tế bào trong cơ thể con người.
Cảm biến lượng tử làm bằng kim cương do Tokyo Tech phát triển và cách nó đo lường hiện tại (Ảnh: Tokyo Tech)
Kim cương là một vật liệu đang thu hút sự chú ý như một phương tiện hiện thực hóa một “cảm biến lượng tử” sử dụng công nghệ lượng tử. Nơi mà một số nguyên tử cacbon trong tinh thể đã được thay thế bằng các nguyên tử nitơ tạp chất được gọi là trung tâm NV, và nơi này đóng vai trò của một cảm biến rất nhỏ.
Khi trung tâm NV được chiếu sáng bằng ánh sáng laze xanh lục, nó sẽ phát ra huỳnh quang màu đỏ, cường độ của ánh sáng này thay đổi tùy thuộc vào các yếu tố như nhiệt độ và từ tính. Điều này là do trạng thái electron thay đổi khi một từ trường được áp dụng vào tâm NV. Do đó, bằng cách đo cường độ huỳnh quang, có thể phát hiện những thay đổi về nhiệt độ, từ trường,… với độ chính xác cực cao.
Giáo sư Mutsuko Hatano thuộc Viện Công nghệ Tokyo và nhóm nghiên cứu từ Tập đoàn Yazaki đã ứng dụng cảm biến lượng tử vào các cảm biến dòng điện có độ chính xác cao. Trong khi đo giá trị dòng điện lên đến 1000 ampe, sai số đo có thể được giảm xuống khoảng 10 miliampe. Điều này chính xác hơn gần 100 lần so với các cảm biến hiện tại thông thường.
Một ứng dụng đầy hứa hẹn cho nhóm nghiên cứu là phép đo dòng điện sạc và xả pin được lắp trong xe điện. Để tránh sạc quá mức và xả quá mức, pin EV có một giới hạn cho dung lượng trên bo mạch của chúng. Điều này là do sai số ước tính của tỷ lệ sạc là khoảng 10% và cảm biến lượng tử có thể cắt giảm biên độ bằng cách giảm sai số xuống 1% hoặc ít hơn. Với cùng một pin dung lượng, quãng đường lái xe có thể được kéo dài thêm khoảng 10%.
Khả năng chống nhiễu (tiếng ồn) bên ngoài. Giáo sư Hatano cho biết: “Phòng thí nghiệm của chúng tôi nằm rất gần điểm giao cắt của hai tuyến đường sắt lớn trong khu vực thủ đô Tokyo, nhưng nó hầu như không ảnh hưởng đến kết quả đo.
QST đang hướng tới các ứng dụng y tế. Thông thường, các hiện tượng sinh học khác nhau đã được quan sát bằng cách gắn các phân tử huỳnh quang vào protein. Nếu điều này được thay thế bằng cảm biến lượng tử, nhiệt độ bên trong tế bào có thể được phát hiện, điều này sẽ dẫn đến việc làm sáng tỏ các cơ chế bệnh tật.
Một nhóm nghiên cứu tập trung vào viện đã phát triển một cảm biến lượng tử với kích thước chỉ 5 nanomet (nano là một phần tỷ mét), mở đường cho "cảm biến nội bào". Cũng có thể đo số mũ ion hydro (pH) của chất lỏng.
Ứng dụng đầu tiên là y học tái tạo. Khi nuôi cấy tế bào bệnh nhân để tạo mô, việc kiểm soát pH và nhiệt độ ảnh hưởng đến hiệu quả của quá trình nuôi cấy. Cảm biến lượng tử có thể phát hiện những thay đổi về pH và nhiệt độ cục bộ, điều mà trước đây rất khó.
Vào tháng 5 năm 2010, công ty đã cùng công bố với Đại học Okayama và những người khác về công nghệ tích hợp các mạch cần thiết cho cảm biến lượng tử trên nền thủy tinh. Nó sẽ là một công nghệ cơ bản để sử dụng các cảm biến lượng tử trong các tàu sinh học nhằm tái tạo các chức năng của các cơ quan.
Hiroshi Yukawa, Giám đốc dự án của QST (Viện Khoa học Sự sống Lượng tử, Bộ phận Sự sống và Y học Lượng tử), cho biết "Trong tương lai, chúng ta có thể nhận ra công nghệ giám sát từng tế bào trong cơ thể nhằm hướng tới một thế giới không bệnh tật." ", anh ta nói.
Thế mạnh phát triển vật liệu của Nhật Bản
Nghiên cứu về cảm biến lượng tử sử dụng kim cương bắt đầu ở Đức và Vương quốc Anh vào những năm 1980. Hiện nay, ngoài Đức, Mỹ, Nhật Bản và Trung Quốc cũng đang tập trung nghiên cứu. Đại học Harvard, Hoa Kỳ đã thành công trong việc chế tạo kích thước mét nano (nano = 1 / 1.000.000.000).
Nhật Bản và Úc đang dẫn đầu trong lĩnh vực khoa học đời sống và y tế, chẳng hạn như đo lường tế bào. Ở Đức, các trường đại học và các công ty bán dẫn đã khởi động các dự án ứng dụng cho xe điện.
Đối với Nhật Bản, đây là một lĩnh vực có thể được kỳ vọng là một ngành công nghiệp thế hệ mới với khả năng cạnh tranh quốc tế cao. Các công ty Nhật Bản như Sumitomo Electric Industries có thế mạnh về tổng hợp kim cương, là vật liệu chế tạo cảm biến. Nhật Bản cũng rất mạnh về công nghệ nghiên cứu và chế tạo NV Center, yếu tố quyết định hiệu suất của các cảm biến. QST được cho là sản xuất nhiều trung tâm NV được sử dụng trong nghiên cứu về cảm biến lượng tử trên khắp thế giới.
Ryuji Igarashi thuộc Nhóm nghiên cứu cảm biến lượng tử thế hệ tiếp theo tại QST cho biết, "Chúng tôi đang hợp tác không chỉ với các nhà nghiên cứu cảm biến mà còn với các nhà nghiên cứu vật liệu. Đây là thế mạnh của chúng tôi trong việc nghiên cứu cảm biến lượng tử ở Nhật Bản." Trong bối cảnh các điều kiện để Nhật Bản thể hiện thế mạnh của mình, nhiều khả năng sự hỗ trợ từ ngành công nghiệp và chính phủ sẽ ngày càng trở nên quan trọng.
