Postoje li potencijalne primjene Ndfeb magneta u kvantnom računarstvu (kao što je zaštita supravodljivih kvantnih bitova) ili u istraživanju svemira (kao što je simulacija okruženja niske gravitacije)?

1. Uvod

NdFeB magneti, sastavljeni prvenstveno od intermetalnog spoja Nd₂Fe₁₄B, najjači su komercijalno dostupni permanentni magneti, s energetskim produktima (BHmax) koji prelaze 50 MGOe. Njihova superiorna magnetska svojstva - visoka remanencija (Br > 1,3 T), koercitivnost (Hci > 2 MA/m) i gustoća energije - proizlaze iz jake jednoosne magnetokristalne anizotropije faze Nd₂Fe₁₄B. Iako se široko koriste u motorima, generatorima i magnetskim separatorima, njihova primjena se širi u visokotehnološke sektore poput kvantnog računarstva i istraživanja svemira, potaknuta potrebom za kompaktnim, visokoučinkovitim magnetskim rješenjima u ekstremnim okruženjima.

2. NdFeB magneti u kvantnom računarstvu

2.1 Stabilizacija kubita jakim magnetskim poljima

Kubiti, temeljne jedinice kvantne informacije, vrlo su osjetljivi na šum iz okoline, što dovodi do dekoherencije - glavne prepreke u kvantnom računarstvu. NdFeB magneti pružaju jaka, stabilna magnetska polja potrebna za stabilizaciju kubita i produljenje vremena njihove koherencije. Na primjer:

• Supravodljivi kubiti : U supravodljivim kvantnim krugovima, kubiti se implementiraju pomoću Josephsonovih spojeva, kojima su potrebna precizna magnetska polja za podešavanje njihovih energetskih razina. NdFeB magneti, sa svojom visokom jakošću polja (do 1,5 T preko malih zračnih raspora), omogućuju kompaktne sustave upravljanja kubitima male snage. Studija iz 2021. godine demonstrirala je sklop permanentnog magneta pomoću Halbachovog niza NdFeB magneta i mekog magnetskog Supermendura za postizanje ujednačenog polja od 1,5 T preko zračnog raspora od 7 mm, pogodnog za rad kubita.
• Kubiti nuklearne magnetske rezonancije (NMR) : U kvantnom računalstvu temeljenom na NMR-u, kubiti su kodirani u nuklearnim spinovima, a njihova manipulacija ovisi o vanjskim magnetskim poljima. NdFeB magneti pružaju visoku homogenost i stabilnost potrebnu za preciznu kontrolu spina, kao što se vidi u platformama za kvantno računanje za stolna računala poput SpinQ Geminija, koji koristi sustav podmetanja polja za održavanje stabilnog magnetskog okruženja za NMR i kvantne računalne zadatke.

2.2 Zaštita supravodljivih kvantnih bitova od elektromagnetskih smetnji

Supravodljivi kubiti su osjetljivi na elektromagnetske smetnje (EMI), koje mogu izazvati neželjene prijelaze i dekoherenciju. Zaštita ovih kubita ključna je za pouzdan rad, a NdFeB magneti igraju dvostruku ulogu:

• Pasivno zaštićivanje : NdFeB magneti mogu se integrirati u višeslojne zaštitne dizajne kako bi se ublažila zalutala elektromagnetska polja. Na primjer, studija iz 2022. godine koristila je Vantablack - supercrni premaz s visokom magnetskom permeabilnošću - u kombinaciji s NdFeB magnetima za zaštitu supravodljivih kubitnih sustava od infracrvenog zračenja i EMI-ja, postižući 100-struko smanjenje šuma.
• Aktivno zaštićivanje : U nekim izvedbama, NdFeB magneti se koriste za generiranje suprotnih polja koja poništavaju vanjske smetnje, tehnika poznata kao aktivno magnetsko zaštićivanje. Ovaj pristup je posebno koristan u okruženjima s dinamičkim magnetskim šumom, kao što je u blizini MRI uređaja ili u svemirskim kvantnim eksperimentima.

2.3 Ispreplitanje kubita pomoću magnetskih polja

Istraživači su započeli istraživanje tehnika temeljenih na magnetima za ispreplitanje kubita, proces bitan za kvantno računanje. Na primjer, studija iz 2023. godine pokazala je jednostavnu, ali učinkovitu metodu za ispreplitanje supravodljivih kubita pomoću mikrovalnih fotona i magnetskih polja generiranih NdFeB magnetima. Ovaj pristup mogao bi pojednostaviti dizajn kvantnih krugova i omogućiti skalabilne kvantne procesore.

3. NdFeB magneti u istraživanju svemira

3.1 Simuliranje mikrogravitacijskih okruženja

Istraživanje mikrogravitacije ključno je za razumijevanje fenomena poput ponašanja fluida, izgaranja i bioloških procesa u svemiru. Međutim, provođenje eksperimenata u orbiti je skupo i logistički izazovno. NdFeB magneti nude alternativu na Zemlji:

• Magnetska levitacija : Visokoenergetski NdFeB magneti mogu levitirati dijamagnetske materijale (npr. vodu, biljke) generiranjem jakih gradijenata u magnetskom polju. Na primjer, mikrofluidna platforma razvijena 2021. godine koristila je NdFeB magnete za levitaciju sjemenki Arabidopsis u ravnotežnoj ravnini, simulirajući uvjete mikrogravitacije za studije rasta biljaka.
• Tornjevi za spuštanje i parabolični letovi : Dok ovi objekti pružaju kratkotrajnu mikrogravitaciju (sekunde do minute), levitacijski sustavi temeljeni na NdFeB-u omogućuju kontinuiranu simulaciju mikrogravitacije, olakšavajući dugoročne eksperimente na staničnim kulturama, rastu kristala i sintezi materijala.

3.2 Održavanje zdravlja astronauta

Dugotrajna izloženost mikrogravitaciji dovodi do atrofije mišića i gubitka gustoće kostiju kod astronauta. NdFeB magneti se koriste u uređajima za protumjere kako bi se ublažili ovi učinci:

• Stimulacija mišića : NASA je koristila NdFeB magnete u nosivim uređajima koji primjenjuju lokalizirana magnetska polja za stimuliranje mišićnih kontrakcija, pomažući u održavanju mišićnog tonusa tijekom svemirskih misija. Ovi magneti pružaju neinvazivnu, energetski učinkovitu alternativu električnoj stimulaciji.
• Očuvanje gustoće kostiju : Nova istraživanja istražuju upotrebu pulsirajućih elektromagnetskih polja (PEMF) generiranih NdFeB magnetima za poboljšanje stvaranja kostiju i smanjenje resorpcije u mikrogravitaciji. Rani rezultati sugeriraju da bi PEMF terapija mogla biti održiva protumjera za osteoporozu uzrokovanu svemirskim letovima.

3.3 Napajanje naprednih pogonskih sustava

NdFeB magneti su sastavni dio tehnologija svemirskog pogona sljedeće generacije, kao što su:

• Ionski potisnici : Ovi potisnici koriste magnetska polja za ograničavanje i ubrzavanje ioniziranog pogonskog goriva (npr. ksenona). NdFeB magneti, sa svojom visokom jakošću polja, omogućuju kompaktne, visokoučinkovite ionske potisnike za misije u dubokom svemiru.
• Magnetoplazmadinamički (MPD) potisnici : MPD potisnici se oslanjaju na jaka magnetska polja za ionizaciju i ubrzavanje plazme, stvarajući potisak. NdFeB magneti se koriste u magnetskim mlaznicama ovih potisnika, poboljšavajući njihove performanse i smanjujući potrošnju energije.

3.4 Omogućavanje kvantnih eksperimenata u svemiru

Kvantne tehnologije spremne su revolucionirati senzore, komunikaciju i navigaciju u svemiru. NdFeB magneti ključni su za ove primjene:

• Atomski satovi : Ultraprecizni atomski satovi, bitni za GPS i navigaciju u dubokom svemiru, koriste magnetska polja za hvatanje i manipuliranje atomima. NdFeB magneti pružaju stabilna polja potrebna za visokoprecizno mjerenje vremena u svemiru.
• Kvantni senzori : Magnetometri temeljeni na supravodljivim kvantnim interferentnim uređajima (SQUID) ili centrima dušikovih praznina (NV) u dijamantu zahtijevaju jaka, ujednačena magnetska polja za osjetljiva mjerenja. NdFeB magneti omogućuju kompaktne kvantne senzore male snage za otkrivanje magnetskih anomalija na planetarnim površinama ili praćenje svemirskog vremena.

4. Izazovi i budući smjerovi

4.1 Tehnički izazovi

• Temperaturna osjetljivost : NdFeB magneti gube koercitivnost na povišenim temperaturama (iznad 150°C), što ograničava njihovu upotrebu u svemirskim okruženjima s visokim temperaturama ili u blizini supravodljivih kubita koji rade na kriogenim temperaturama. Istraživanja su usmjerena na razvoj NdFeB varijanti za visoke temperature ili hibridnih magnetskih sustava koji kombiniraju NdFeB sa samarij-kobaltnim (SmCo) ili feritnim magnetima.
• Homogenost magnetskog polja : Postizanje homogenosti polja ispod ppm potrebne za kvantno računanje predstavlja izazov s permanentnim magnetima. Istražuju se napredne tehnike proizvodnje, poput 3D ispisa magnetskih nizova i metoda gradijentnog premazivanja, kako bi se poboljšala ujednačenost polja.

4.2 Budući trendovi

• Hibridni magnetski sustavi : Kombiniranje NdFeB magneta s elektromagnetima ili supravodljivim zavojnicama moglo bi iskoristiti prednosti obje tehnologije - visoku jakost polja NdFeB-a i prilagodljivost elektromagneta - za primjene poput kvantne korekcije pogrešaka i dinamičkog oklopa.
• Miniaturizacija : Budući da kvantne i svemirske tehnologije zahtijevaju manje i lakše komponente, istraživanja se usredotočuju na mikrorazmjerne NdFeB magnete izrađene aditivnom proizvodnjom ili tehnikama taloženja tankog filma. Ovi minijaturizirani magneti mogli bi omogućiti izradu prijenosnih kvantnih uređaja i kompaktnih pogonskih sustava za male satelite.

5. Zaključak

NdFeB magneti transformiraju kvantno računarstvo i istraživanje svemira pružajući jaka, stabilna magnetska polja u kompaktnim, energetski učinkovitim paketima. U kvantnom računarstvu stabiliziraju kubite, zaštićuju supravodljive krugove i omogućuju nove tehnike preplitanja, otvarajući put skalabilnim kvantnim procesorima. U istraživanju svemira simuliraju mikrogravitaciju, održavaju zdravlje astronauta, pokreću napredne pogonske sustave i podržavaju kvantno osjetništvo i navigaciju. Dok izazovi poput temperaturne osjetljivosti i homogenosti polja i dalje postoje, kontinuirana istraživanja hibridnih magnetskih sustava i miniaturizacije obećavaju otvaranje novih granica za NdFeB magnete u ovim visokotehnološkim sektorima. Kako se kvantne i svemirske tehnologije nastavljaju razvijati, NdFeB magneti ostat će nezamjenjivi alati za inovacije i otkrića.