Има ли потенциални приложения на Ndfeb магнитите в квантовите изчисления (като например екраниране на свръхпроводящи квантови битове) или в космическите изследвания (като например симулиране на среди с ниска гравитация)?

1. Въведение

NdFeB магнитите, съставени предимно от интерметалното съединение Nd₂Fe₁₄B, са най-силните постоянни магнити, предлагани на пазара, с енергийни продукти (BHmax) над 50 MGOe. Техните превъзходни магнитни свойства – висока реманентност (Br > 1,3 T), коерцитивност (Hci > 2 MA/m) и енергийна плътност – произтичат от силната едноосна магнитокристална анизотропия на фазата Nd₂Fe₁₄B. Въпреки че се използват широко в двигатели, генератори и магнитни сепаратори, приложенията им се разширяват във високотехнологични сектори като квантовите изчисления и космическите изследвания, водени от необходимостта от компактни, високопроизводителни магнитни решения в екстремни условия.

2. NdFeB магнити в квантовите изчисления

2.1 Стабилизиране на кубити със силни магнитни полета

Кубитите, фундаменталните единици на квантовата информация, са силно чувствителни към шума от околната среда, което води до декохеренция – основна пречка в квантовите изчисления. NdFeB магнитите осигуряват силните, стабилни магнитни полета, необходими за стабилизиране на кубитите и удължаване на времето им на кохерентност. Например:

• Свръхпроводящи кубити : В свръхпроводящите квантови схеми кубитите се реализират с помощта на джозефсонови преходи, които изискват прецизни магнитни полета за настройване на енергийните си нива. NdFeB магнитите, с високата си напрегнатост на полето (до 1,5 T върху малки въздушни междини), позволяват компактни системи за управление на кубити с ниска мощност. Проучване от 2021 г. демонстрира сглобка от постоянен магнит, използваща масив от Halbach от NdFeB магнити и мек магнит Supermendur, за да се постигне равномерно поле от 1,5 T върху 7 mm въздушна междина, подходящо за работа с кубити.
• Кюбитове с ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) : В квантовите изчисления, базирани на ЯМР, кюбитовете са кодирани в ядрени спинове и манипулирането им разчита на външни магнитни полета. NdFeB магнитите осигуряват висока хомогенност и стабилност, необходими за прецизен контрол на спина, както се вижда в настолни квантови изчислителни платформи като SpinQ Gemini, която използва система за подравняване на полето, за да поддържа стабилна магнитна среда за задачи, свързани с ЯМР и квантови изчисления.

2.2 Защита на свръхпроводящите квантови битове от електромагнитни смущения

Свръхпроводящите кубити са уязвими към електромагнитни смущения (EMI), които могат да предизвикат нежелани преходи и декохеренция. Екранирането на тези кубити е от решаващо значение за надеждната им работа, а NdFeB магнитите играят двойна роля:

• Пасивно екраниране : NdFeB магнитите могат да бъдат интегрирани в многослойни екраниращи конструкции, за да се намалят разсеяните електромагнитни полета. Например, проучване от 2022 г. използва Vantablack - свръхчерно покритие с висока магнитна пропускливост - в комбинация с NdFeB магнити за екраниране на свръхпроводящи кубит системи от инфрачервено лъчение и електромагнитни смущения, постигайки 100-кратно намаляване на шума.
• Активно екраниране : В някои конструкции се използват NdFeB магнити за генериране на противодействащи полета, които елиминират външни смущения, техника, известна като активно магнитно екраниране. Този подход е особено полезен в среди с динамичен магнитен шум, като например в близост до ЯМР апарати или в космически квантови експерименти.

2.3 Заплитане на кубити с помощта на магнитни полета

Изследователите са започнали да изследват техники, базирани на магнити, за заплитане на кубити, процес, който е от съществено значение за квантовите изчисления. Например, проучване от 2023 г. демонстрира прост, но ефективен метод за заплитане на свръхпроводящи кубити, използвайки микровълнови фотони и магнитни полета, генерирани от NdFeB магнити. Този подход би могъл да опрости проектирането на квантови схеми и да даде възможност за мащабируеми квантови процесори.

3. NdFeB магнити в космическите изследвания

3.1 Симулиране на микрогравитационни среди

Изследванията на микрогравитацията са жизненоважни за разбирането на явления като поведение на флуидите, горене и биологични процеси в космоса. Провеждането на експерименти в орбита обаче е скъпо и логистично трудно. NdFeB магнитите предлагат наземна алтернатива:

• Магнитна левитация : Високоенергийните NdFeB магнити могат да левитират диамагнитни материали (напр. вода, растения), като генерират силни градиенти в магнитното поле. Например, микрофлуидна платформа, разработена през 2021 г., използва NdFeB магнити за левитиране на семена от Arabidopsis в равновесна равнина, симулирайки условия на микрогравитация за изследвания на растежа на растенията.
• Кули за падане и параболични полети : Докато тези съоръжения осигуряват краткотрайна микрогравитация (секунди до минути), левитационните системи, базирани на NdFeB, позволяват непрекъсната симулация на микрогравитация, улеснявайки дългосрочни експерименти върху клетъчни култури, растеж на кристали и синтез на материали.

3.2 Поддържане на здравето на астронавтите

Продължителното излагане на микрогравитация води до мускулна атрофия и загуба на костна плътност при астронавтите. NdFeB магнитите се използват в устройства за противодействие, за да се смекчат тези ефекти:

• Мускулна стимулация : НАСА използва NdFeB магнити в носими устройства, които прилагат локализирани магнитни полета за стимулиране на мускулните контракции, спомагайки за поддържане на мускулния тонус по време на космически мисии. Тези магнити предоставят неинвазивна, енергийно ефективна алтернатива на електрическата стимулация.
• Запазване на костната плътност : Нови изследвания изследват използването на импулсни електромагнитни полета (PEMF), генерирани от NdFeB магнити, за подобряване на образуването на костна тъкан и намаляване на резорбцията в условия на микрогравитация. Ранните резултати показват, че PEMF терапията може да бъде жизнеспособна контрамярка за остеопороза, предизвикана от космически полети.

3.3 Захранване на усъвършенствани задвижващи системи

NdFeB магнитите са неразделна част от технологиите за космическо задвижване от следващо поколение, като например:

• Йонни двигатели : Тези двигатели използват магнитни полета, за да ограничават и ускоряват йонизирано гориво (напр. ксенон). NdFeB магнитите, с високата си сила на полето, позволяват създаването на компактни, високоефективни йонни двигатели за мисии в дълбокия космос.
• Магнитоплазменодинамични (MPD) двигатели : MPD двигателите разчитат на силни магнитни полета, за да йонизират и ускорят плазмата, генерирайки тяга. В магнитните дюзи на тези двигатели се използват NdFeB магнити, което подобрява тяхната производителност и намалява консумацията на енергия.

3.4 Осъществяване на квантови експерименти в космоса

Квантовите технологии са готови да революционизират космическите сензори, комуникации и навигация. NdFeB магнитите са от решаващо значение за тези приложения:

• Атомни часовници : Ултрапрецизните атомни часовници, от съществено значение за GPS и навигацията в дълбокия космос, използват магнитни полета, за да улавят и манипулират атоми. NdFeB магнитите осигуряват стабилните полета, необходими за високоточно отчитане на времето в космоса.
• Квантови сензори : Магнитометрите, базирани на свръхпроводящи квантови интерферентни устройства (SQUID) или азотно-вакантни (NV) центрове в диаманта, изискват силни, равномерни магнитни полета за чувствителни измервания. NdFeB магнитите позволяват компактни, нискоенергийни квантови сензори за откриване на магнитни аномалии на планетарни повърхности или наблюдение на космическото време.

4. Предизвикателства и бъдещи насоки

4.1 Технически предизвикателства

• Температурна чувствителност : NdFeB магнитите губят коерцитивност при повишени температури (над 150°C), което ограничава използването им във високотемпературни космически среди или близо до свръхпроводящи кубити, работещи при криогенни температури. Изследванията са фокусирани върху разработването на високотемпературни NdFeB варианти или хибридни магнитни системи, комбиниращи NdFeB със самарий-кобалтови (SmCo) или феритни магнити.
• Хомогенност на магнитното поле : Постигането на хомогенност на полето под ppm, необходима за квантовите изчисления, е предизвикателство с постоянните магнити. Разработват се усъвършенствани производствени техники, като 3D печат на магнитни решетки и методи за градиентно покритие, за да се подобри еднородността на полето.

4.2 Бъдещи тенденции

• Хибридни магнитни системи : Комбинирането на NdFeB магнити с електромагнити или свръхпроводящи намотки би могло да използва силните страни на двете технологии – високата напрегнатост на полето от NdFeB и настройваемостта от електромагнитите – за приложения като квантова корекция на грешки и динамично екраниране.
• Миниатюризация : Тъй като квантовите и космическите технологии изискват по-малки и по-леки компоненти, изследванията се фокусират върху микромащабни NdFeB магнити, изработени чрез адитивно производство или техники за отлагане на тънък слой. Тези миниатюризирани магнити биха могли да позволят създаването на преносими квантови устройства и компактни задвижващи системи за малки спътници.

5. Заключение

NdFeB магнитите трансформират квантовите изчисления и космическите изследвания, като осигуряват силни, стабилни магнитни полета в компактни, енергийно ефективни корпуси. В квантовите изчисления те стабилизират кубитите, екранират свръхпроводящи схеми и дават възможност за нови техники за заплитане, проправяйки пътя за мащабируеми квантови процесори. В космическите изследвания те симулират микрогравитация, поддържат здравето на астронавтите, захранват усъвършенствани задвижващи системи и поддържат квантово-базирани сензори и навигация. Докато предизвикателства като температурна чувствителност и хомогенност на полето продължават да съществуват, текущите изследвания на хибридни магнитни системи и миниатюризация обещават да отключат нови граници за NdFeB магнитите в тези високотехнологични сектори. С развитието на квантовите и космическите технологии, NdFeB магнитите ще останат незаменими инструменти за иновации и открития.