Κβαντικοί αισθητήρες διαμαντιού θα φέρουν την επανάσταση στις μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων
Σε μια εποχή όπου η ηλεκτροκίνηση κερδίζει ραγδαία έδαφος, ένα από τα κύρια εμπόδια παραμένει η αποτελεσματική διαχείριση των μπαταριών. Ιάπωνες ερευνητές του Επιστημονικού Ινστιτούτου του Τόκιο (ISCT) έκαναν πρόσφατα ένα σημαντικό βήμα προς τα εμπρός, αναπτύσσοντας κβαντικούς αισθητήρες διαμαντιού μεγάλης κλίμακας, οι οποίοι είναι ικανοί να παρακολουθούν τις μπαταρίες με εξαιρετική ακρίβεια, ιδίως στα ηλεκτρικά οχήματα.
Οι αισθητήρες που χρησιμοποιούνται σήμερα για την παρακολούθηση των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων παρουσιάζουν διάφορα προβλήματα: υπερθέρμανση, απώλειες ενέργειας, χαμηλή ακρίβεια και αδυναμία ανίχνευσης μικρών διακυμάνσεων του ρεύματος. Αυτοί οι περιορισμοί έχουν ως αποτέλεσμα λιγότερο αποτελεσματική διαχείριση της ενέργειας, θέτοντας σε κίνδυνο την αυτονομία και τη διάρκεια ζωής των μπαταριών.
Η λύση που προτείνουν οι Ιάπωνες ερευνητές εκμεταλλεύεται τις κβαντικές ιδιότητες των διαμαντιών. Μέχρι τώρα, ωστόσο, η χρήση αυτής της τεχνολογίας περιοριζόταν από το μικρό μέγεθος των διαθέσιμων διαμαντένιων κρυστάλλων, συνήθως λίγων χιλιοστών. Για να ξεπεραστεί αυτό το εμπόδιο, η ομάδα δημιούργησε ένα διαμαντένιο υπόστρωμα μεγάλης επιφάνειας με κέντρα διακοπών αζώτου (NV) σε ένα υπόστρωμα που δεν είναι διαμαντένιο.
«Η ικανότητα μέτρησης των ρευμάτων με ακρίβεια, ελαχιστοποιώντας τις παρεμβολές, καθιστά αυτόν τον αισθητήρα έναν πολλά υποσχόμενο υποψήφιο για την παρακολούθηση των συστημάτων μπαταριών στα ηλεκτρικά οχήματα, όπου η ακρίβεια και η αξιοπιστία είναι θεμελιώδους σημασίας», δήλωσε ο Mutsuko Hatano, καθηγητής στη σχολή μηχανικών ISCT και ένας από τους ερευνητές που συμμετείχαν στη μελέτη.
Η διαδικασία κατασκευής αυτών των αισθητήρων είναι ιδιαίτερα καινοτόμος. Οι ερευνητές χρησιμοποίησαν την τεχνολογία ετεροεξαρτώμενης ανάπτυξης, η οποία συνίσταται στην ανάπτυξη ενός κρυσταλλικού στρώματος πάνω σε ένα υπόστρωμα διαφορετικού υλικού. Η διαδικασία αυτή επέτρεψε την ενσωμάτωση κέντρων NV στο πλέγμα του διαμαντιού, τα οποία είναι απαραίτητα για την ανίχνευση λεπτών αλλαγών στα μαγνητικά πεδία.
Για να δημιουργήσουν την πλατφόρμα κβαντικού αισθητήρα διαμαντιού, οι επιστήμονες επέλεξαν πρώτα ένα υπόστρωμα που δεν είναι διαμαντένιο και είναι συμβατό με την ετεροεπιταξιακή ανάπτυξη. Στη συνέχεια, χρησιμοποιώντας χημική εναπόθεση ατμών (CVD), εναπόθεσαν υμένια διαμαντιού στα υποστρώματα, επιτυγχάνοντας ακριβή έλεγχο της κρυσταλλικής δομής του διαμαντιού.
Στη συνέχεια, η ομάδα πρόσθεσε ένα στρώμα διαμαντιού με διακοπές αζώτου (NV) πάχους 150 μικρομέτρων, το οποίο επέτρεψε στον αισθητήρα να ανιχνεύει μικροσκοπικές μαγνητικές μεταβολές. Αυτό το στρώμα είχε χρόνο συνέπειας σπιν (T2) 20 μικροδευτερολέπτων, αρκετό για να διατηρήσει την κβαντική πληροφορία για αρκετό χρονικό διάστημα ώστε να γίνουν ακριβείς μετρήσεις.
Κατά τη διάρκεια δοκιμών που πραγματοποιήθηκαν με την τεχνική του οπτικά ανιχνευόμενου μαγνητικού συντονισμού (ODMR), οι ερευνητές ανακάλυψαν ότι ο αισθητήρας μπορούσε να μετρήσει ελάχιστα ρεύματα έως και 10 milliamperes για διαφορετικές χρονικές διάρκειες, που κυμαίνονταν από 10 χιλιοστά του δευτερολέπτου έως 100 δευτερόλεπτα.
Όταν πρόκειται για μπαταρίες για ηλεκτρικά οχήματα, η απόδοση και η διάρκεια ζωής τους εξαρτάται από την ακριβή παρακολούθηση της ροής της εισερχόμενης και εξερχόμενης ηλεκτρικής ενέργειας. Οι κβαντικοί αισθητήρες διαμαντιού μπορούν να ανιχνεύσουν μικροσκοπικές διακυμάνσεις στο ρεύμα και να βοηθήσουν να διατηρηθεί η υγεία της μπαταρίας σε βέλτιστα επίπεδα.
Η ερευνητική ομάδα σκοπεύει τώρα να βρει τρόπους να αυξήσει την πυκνότητα των κέντρων NV στους αισθητήρες διαμαντιού, για ακόμη καλύτερες επιδόσεις. Η ελπίδα είναι ότι η τρέχουσα και η μελλοντική έρευνα μπορεί σύντομα να επιτρέψει την ενσωμάτωση αυτής της πολλά υποσχόμενης κβαντικής τεχνολογίας σε ηλεκτρικά οχήματα μεγάλης κλίμακας.
[via]
