Er der potentielle anvendelser af Ndfeb-magneter inden for kvanteberegning (f.eks. afskærmning af superledende kvantebits) eller rumforskning (f.eks. simulering af miljøer med lav tyngdekraft)?

1. Introduktion

NdFeB-magneter, der primært består af den intermetalliske forbindelse Nd₂Fe₁₄B, er de stærkeste permanente magneter, der er kommercielt tilgængelige, med energiprodukter (BHmax), der overstiger 50 MGOe. Deres overlegne magnetiske egenskaber - høj remanens (Br > 1,3 T), koercitivitet (Hci > 2 MA/m) og energitæthed - stammer fra den stærke enaksede magnetokrystallinske anisotropi af Nd₂Fe₁₄B-fasen. Selvom de er meget anvendt i motorer, generatorer og magnetiske separatorer, udvides deres anvendelser til højteknologiske sektorer som kvanteberegning og rumforskning, drevet af behovet for kompakte, højtydende magnetiske løsninger i ekstreme miljøer.

2. NdFeB-magneter i kvanteberegning

2.1 Stabilisering af qubits med stærke magnetfelter

Qubits, de grundlæggende enheder i kvanteinformation, er meget følsomme over for miljøstøj, hvilket fører til dekohærens – en væsentlig hindring i kvanteberegninger. NdFeB-magneter leverer de stærke, stabile magnetfelter, der er nødvendige for at stabilisere qubits og forlænge deres kohærenstider. For eksempel:

• Superledende qubits : I superledende kvantekredsløb implementeres qubits ved hjælp af Josephson-forbindelser, som kræver præcise magnetfelter for at justere deres energiniveauer. NdFeB-magneter, med deres høje feltstyrke (op til 1,5 T over små luftgab), muliggør kompakte qubit-styringssystemer med lavt strømforbrug. En undersøgelse fra 2021 demonstrerede en permanent magnetsamling ved hjælp af et Halbach-array af NdFeB-magneter og bløde magnetiske Supermendur for at opnå et ensartet 1,5 T felt over et 7 mm luftgab, egnet til qubit-drift.
• Kernemagnetisk resonans (NMR) qubits : I NMR-baseret kvanteberegning er qubits kodet i nukleare spins, og deres manipulation er afhængig af eksterne magnetfelter. NdFeB-magneter giver den høje homogenitet og stabilitet, der kræves til præcis spinkontrol, som det ses i desktop-kvanteberegningsplatforme som SpinQ Gemini, der bruger et feltshimming-system til at opretholde et stabilt magnetisk miljø til NMR- og kvanteberegningsopgaver.

2.2 Afskærmning af superledende kvantebits mod elektromagnetisk interferens

Superledende qubits er sårbare over for elektromagnetisk interferens (EMI), som kan forårsage uønskede overgange og dekohærens. Afskærmning af disse qubits er afgørende for pålidelig drift, og NdFeB-magneter spiller en dobbelt rolle:

• Passiv afskærmning : NdFeB-magneter kan integreres i flerlagsafskærmningsdesign for at dæmpe spredte elektromagnetiske felter. For eksempel anvendte et studie fra 2022 Vantablack - en supersort belægning med høj magnetisk permeabilitet - i kombination med NdFeB-magneter til at beskytte superledende qubit-systemer mod infrarød stråling og EMI, hvilket opnåede en 100-fold reduktion i støj.
• Aktiv afskærmning : I nogle designs bruges NdFeB-magneter til at generere modvirkende felter, der ophæver ekstern interferens, en teknik kendt som aktiv magnetisk afskærmning. Denne tilgang er især nyttig i miljøer med dynamisk magnetisk støj, såsom i nærheden af ​​MRI-maskiner eller i rumbaserede kvanteeksperimenter.

2.3 Sammenfiltring af qubits ved hjælp af magnetfelter

Forskere er begyndt at udforske magnetbaserede teknikker til at sammenfiltre qubits, en proces der er essentiel for kvanteberegning. For eksempel demonstrerede et studie fra 2023 en simpel, men effektiv metode til at sammenfiltre superledende qubits ved hjælp af mikrobølgefotoner og magnetfelter genereret af NdFeB-magneter. Denne tilgang kunne forenkle design af kvantekredsløb og muliggøre skalerbare kvanteprocessorer.

3. NdFeB-magneter i rumforskning

3.1 Simulering af mikrogravitationsmiljøer

Forskning i mikrogravitation er afgørende for at forstå fænomener som væskeadfærd, forbrænding og biologiske processer i rummet. Det er dog dyrt og logistisk udfordrende at udføre eksperimenter i kredsløb. NdFeB-magneter tilbyder et jordbaseret alternativ:

• Magnetisk levitation : Højenergiske NdFeB-magneter kan svæve diamagnetiske materialer (f.eks. vand, planter) ved at generere stærke gradienter i magnetfeltet. For eksempel brugte en mikrofluidisk platform udviklet i 2021 NdFeB-magneter til at svæve Arabidopsis-frø i et ligevægtsplan og simulere mikrogravitationsforhold til plantevækststudier.
• Droptårne ​​og parabolske flyvninger : Mens disse faciliteter tilbyder kortvarig mikrogravitation (sekunder til minutter), muliggør NdFeB-baserede levitationssystemer kontinuerlig mikrogravitationssimulering, hvilket letter langsigtede eksperimenter på cellekulturer, krystalvækst og materialesyntese.

3.2 Opretholdelse af astronauternes helbred

Langvarig eksponering for mikrogravitation fører til muskelatrofi og tab af knogletæthed hos astronauter. NdFeB-magneter bruges i modforanstaltninger for at afbøde disse effekter:

• Muskelstimulering : NASA har anvendt NdFeB-magneter i bærbare enheder, der anvender lokaliserede magnetfelter for at stimulere muskelsammentrækninger og dermed hjælpe med at opretholde muskeltonus under rummissioner. Disse magneter giver et ikke-invasivt, energieffektivt alternativ til elektrisk stimulering.
• Bevarelse af knogletæthed : Ny forskning undersøger brugen af ​​pulserende elektromagnetiske felter (PEMF) genereret af NdFeB-magneter til at forbedre knogledannelse og reducere resorption i mikrogravitation. Tidlige resultater tyder på, at PEMF-behandling kan være en brugbar modforanstaltning mod rumfartsinduceret osteoporose.

3.3 Drive avancerede fremdriftssystemer

NdFeB-magneter er en integreret del af næste generations rumfremdriftsteknologier, såsom:

• Ion-thrustere : Disse thrustere bruger magnetfelter til at indeslutte og accelerere ioniseret drivmiddel (f.eks. xenon). NdFeB-magneter, med deres høje feltstyrke, muliggør kompakte, højeffektive ion-thrustere til missioner i det dybe rum.
• Magnetoplasmadynamiske (MPD) thrustere : MPD-thrustere er afhængige af stærke magnetfelter til at ionisere og accelerere plasma, hvilket genererer tryk. NdFeB-magneter bruges i de magnetiske dyser på disse thrustere, hvilket forbedrer deres ydeevne og reducerer strømforbruget.

3.4 Muliggørelse af rumbaserede kvanteeksperimenter

Kvanteteknologier er klar til at revolutionere rumbaseret sensorik, kommunikation og navigation. NdFeB-magneter er afgørende for disse anvendelser:

• Atomure : Ultrapræcise atomure, essentielle for GPS og navigation i det dybe rum, bruger magnetfelter til at indfange og manipulere atomer. NdFeB-magneter leverer de stabile felter, der kræves til meget nøjagtig tidsmåling i rummet.
• Kvantesensorer : Magnetometre baseret på superledende kvanteinterferensenheder (SQUID'er) eller nitrogen-vakanscentre (NV) i diamant kræver stærke, ensartede magnetfelter til følsomme målinger. NdFeB-magneter muliggør kompakte kvantesensorer med lavt strømforbrug til at detektere magnetiske anomalier på planetoverflader eller overvåge rumvejr.

4. Udfordringer og fremtidige retninger

4.1 Tekniske udfordringer

• Temperaturfølsomhed : NdFeB-magneter mister koercitivitet ved forhøjede temperaturer (over 150 °C), hvilket begrænser deres anvendelse i rummiljøer med høj temperatur eller i nærheden af ​​superledende qubits, der opererer ved kryogene temperaturer. Forskningen fokuserer på at udvikle højtemperatur-NdFeB-varianter eller hybridmagnetsystemer, der kombinerer NdFeB med samarium-kobolt (SmCo) eller ferritmagneter.
• Magnetisk felthomogenitet : Det er udfordrende at opnå den felthomogenitet på under ppm, der kræves til kvanteberegning, med permanente magneter. Avancerede fremstillingsteknikker, såsom 3D-printning af magnetarrays og gradientbelægningsmetoder, udforskes for at forbedre feltuniformiteten.

4.2 Fremtidige tendenser

• Hybride magnetsystemer : Kombination af NdFeB-magneter med elektromagneter eller superledende spoler kan udnytte styrkerne ved begge teknologier - høj feltstyrke fra NdFeB og justerbarhed fra elektromagneter - til applikationer som kvantefejlkorrektion og dynamisk afskærmning.
• Miniaturisering : Da kvante- og rumteknologier kræver mindre og lettere komponenter, fokuserer forskningen på mikroskala NdFeB-magneter fremstillet ved hjælp af additiv fremstilling eller tyndfilmsaflejringsteknikker. Disse miniaturiserede magneter kan muliggøre bærbare kvanteenheder og kompakte fremdriftssystemer til små satellitter.

5. Konklusion

NdFeB-magneter transformerer kvanteberegning og rumforskning ved at levere stærke, stabile magnetfelter i kompakte, energieffektive pakker. I kvanteberegning stabiliserer de qubits, afskærmer superledende kredsløb og muliggør nye entanglement-teknikker, hvilket baner vejen for skalerbare kvanteprocessorer. I rumforskning simulerer de mikrogravitation, opretholder astronauters sundhed, driver avancerede fremdriftssystemer og understøtter kvantebaseret sensorik og navigation. Mens udfordringer som temperaturfølsomhed og felthomogenitet fortsætter, lover løbende forskning i hybride magnetsystemer og miniaturisering at åbne nye grænser for NdFeB-magneter i disse højteknologiske sektorer. Efterhånden som kvante- og rumteknologier fortsætter med at udvikle sig, vil NdFeB-magneter forblive uundværlige værktøjer til innovation og opdagelse.