دانشمندان حسگرهای کوانتومی الماسی بسیار حساسی را برای نظارت بر باتری‌های EV ایجاد کردند

محققان ژاپنی از مؤسسه علوم توکیو (ISCT) یک بستر الماسی با مساحت بزرگ با مراکز خالی نیتروژن (NV) روی یک بستر غیر الماسی ایجاد کرده‌اند. این راه‌اندازی مانند پلت‌فرم عالی برای حسگرهای کوانتومی الماسی بسیار حساس برای باتری‌های EV عمل می‌کند.

کد خبر: ۱۲۳۷۶۲۲

سه‌شنبه - ۲۱ اسفند ۱۴۰۳ / March 11, 2025

به گزارش گروه دانشگاه خبرگزاری دانشجو، از آنجایی که سازندگان خودرو‌های برقی قصد دارند خودرو‌هایی با برد طولانی‌تر، شارژ سریع‌تر و ایمنی بهبودیافته‌تر داشته باشند، تقاضا برای فناوری مدیریت باتری EV در حال افزایش است. سنسور‌هایی که در حال حاضر برای نظارت بر باتری‌های EV استفاده می‌شوند، اغلب از گرما و تلفات انرژی رنج می‌برند، با دقت پایین دست و پنجه نرم می‌کنند و گاهی اوقات نوسانات جزئی در جریان باتری را تشخیص نمی‌دهند، که منجر به مدیریت انرژی کمتر می‌شود.

سنسور‌های کوانتومی الماسی می‌توانند بر بسیاری از این چالش‌ها غلبه کنند. با این حال، یک نکته این است که کریستال‌های الماس مورد استفاده برای این سنسور‌ها معمولاً کوچک هستند و تنها چند میلی متر عرض دارند. محدودیت ناشی از اندازه آنها - که از مشکلات در ساخت بستر‌های الماس بزرگتر ناشی می‌شود - نحوه استفاده از این سنسور‌ها را در صنایع مختلف محدود می‌کند.

در تلاشی برای رسیدگی به این مشکل، محققان ژاپنی از مؤسسه علوم توکیو (ISCT) یک بستر الماسی با مساحت بزرگ با مراکز خالی نیتروژن (NV) روی یک بستر غیر الماسی ایجاد کرده‌اند. این راه‌اندازی مانند پلت‌فرم عالی برای حسگر‌های کوانتومی الماسی بسیار حساس برای باتری‌های EV عمل می‌کند.

ساخت سنسور کوانتومی الماسی کاربردی

نموداری که فرآیند ساخت سنسور کوانتومی الماس را نشان می‌دهد. منبع: Kajiyama et al. (۲۰۲۵) /فناوری کوانتومی پیشرفته

محققان از فناوری رشد هترواپیتاکسیال برای توسعه پلت فرم استفاده کردند. این فرآیند شامل رشد یک لایه کریستالی بر روی بستری از یک ماده متفاوت است که امکان ادغام مواد مختلف با خواص متفاوت را فراهم می‌کند.

به این فکر کنید که آجر‌ها را روی سطحی قرار دهید که مواد مشابه آجر‌ها نیست -، اما مطمئن شوید که آنها به طور منظم در یک راستا قرار دارند. این روش ادغام مراکز NV را در شبکه الماسی امکان پذیر کرد. این مراکز برای تشخیص تغییرات ظریف در میدان‌های مغناطیسی بسیار مهم هستند، که یک عملکرد بسیار مفید برای نظارت بر باتری‌های EV است.

برای ایجاد پلت فرم سنسور کوانتومی الماس، دانشمندان ابتدا یک بستر غیر الماسی سازگار با رشد هترواپیتاکسیال را انتخاب کردند. سپس با استفاده از رسوب شیمیایی بخار (CVD)، لایه‌های الماسی را روی لایه‌ها قرار دادند. این به آنها اجازه داد تا کنترل دقیقی بر ساختار کریستالی الماس داشته باشند.

سپس، آنها یک لایه الماس با ضخامت ۱۵۰ میکرومتر جای خالی نیتروژن (NV) اضافه کردند که به حسگر اجازه می‌داد تغییرات مغناطیسی کوچک را تشخیص دهد. این لایه دارای زمان انسجام چرخشی (T۲) ۲۰ میکروثانیه بود، به این معنی که می‌توانست اطلاعات کوانتومی را به اندازه کافی برای اندازه‌گیری‌های دقیق حفظ کند.

در نهایت، آنها مراکز NV را در امتداد جهات خاص در داخل شبکه الماس تراز کردند. این منجر به غلظت نقص نیتروژن هشت قسمت در میلیون (ppm) شد که یک عامل کلیدی در عملکرد سنسور کوانتومی است.

علاوه بر این، برای بهبود دقت، تیم تحقیقاتی یک مکانیسم اصلاح شیب را برای تنظیم ناهماهنگی‌های کوچک در کریستال الماس اضافه کردند. این امر باعث می‌شود که حسگر مانند سنسور‌های سنتی الماسی عملکرد خوبی داشته باشد. سنسور کوانتومی الماس با مراکز NV اکنون برای آزمایش آماده بود.

بررسی عملکرد سنسور

محققان این حسگر را با استفاده از تکنیکی به نام تشدید مغناطیسی شناسایی شده نوری (ODMR) در یک تنظیم مبتنی بر فیبر آزمایش کردند. ODMR تکنیکی است که برای اندازه گیری میدان‌های مغناطیسی کوچک با استفاده از نور و امواج مایکروویو استفاده می‌شود.

این با تشخیص چگونگی واکنش عیوب خاص در مواد، مانند مراکز NV در الماس، به میدان‌های مغناطیسی کار می‌کند. این تیم در طول آزمایش ODMR به تشخیص جریان بسیار حساس دست یافتند. سنسور الماسی می‌تواند جریان‌های کوچک تا ۱۰ میلی آمپر را در مدت زمان‌های مختلف، بین ۱۰ میلی ثانیه تا ۱۰۰ ثانیه اندازه گیری کند.

وقتی صحبت از باتری‌های EV به میان می‌آید، عملکرد و طول عمر آنها به نظارت دقیق بر نحوه جریان برق به داخل و خارج بستگی دارد. سنسور‌های کوانتومی الماسی می‌توانند نوسانات کوچک جریان را تشخیص دهند و به حفظ سلامت باتری در سطوح بهینه کمک کنند.

موتسوکو هاتانو، یکی از محققان و استاد دانشکده مهندسی در ISCT، گفت: توانایی اندازه‌گیری دقیق جریان‌ها در حالی که تداخل را به حداقل می‌رساند، این سنسور را به یک کاندید امیدوارکننده برای نظارت بر سیستم‌های باتری در خودرو‌های الکتریکی تبدیل می‌کند، جایی که دقت و قابلیت اطمینان از اهمیت بالایی برخوردار است.

در مرحله بعد، تیم پشت این مطالعه قصد دارد راه‌هایی برای افزایش چگالی مراکز NV در سنسور‌های الماس پیدا کند تا بتوانند عملکرد بسیار بهتری ارائه دهند. امیدواریم تحقیقات فعلی و آینده به زودی امکان ادغام این فناوری کوانتومی امیدوارکننده را در خودرو‌های الکتریکی در مقیاس بزرگ فراهم کند.