Дали постојат потенцијални примени на Ndfeb магнети во квантното пресметување (како на пример во заштитата на суперспроводливи квантни битови) или во истражувањето на вселената (како на пример во симулирање на средини со ниска гравитација)?

1. Вовед

NdFeB магнетите, составени првенствено од интерметалното соединение Nd₂Fe₁₄B, се најсилните трајни магнети достапни комерцијално, со енергетски производи (BHmax) кои надминуваат 50 MGOe. Нивните супериорни магнетни својства - висока реманенција (Br > 1,3 T), коерцивност (Hci > 2 MA/m) и густина на енергија - произлегуваат од силната едноосна магнетокристална анизотропија на фазата Nd₂Fe₁₄B. Иако се широко користени во мотори, генератори и магнетни сепаратори, нивните примени се шират во високотехнолошки сектори како што се квантното пресметување и истражувањето на вселената, поттикнати од потребата за компактни, високо-перформансни магнетни решенија во екстремни средини.

2. NdFeB магнети во квантното пресметување

2.1 Стабилизирање на кубити со силни магнетни полиња

Кубитите, основните единици на квантните информации, се многу чувствителни на бучавата од околината, што доведува до декохеренција - голема пречка во квантното пресметување. NdFeB магнетите обезбедуваат силни, стабилни магнетни полиња потребни за стабилизирање на кубитите и продолжување на нивното време на кохерентност. На пример:

• Суперспроводливи кубити : Во суперспроводливите квантни кола, кубитите се имплементираат со користење на Џозефсонови споеви, на кои им се потребни прецизни магнетни полиња за да се подесат нивните нивоа на енергија. NdFeB магнетите, со нивната висока јачина на полето (до 1,5 T преку мали воздушни празнини), овозможуваат компактни системи за контрола на кубити со ниска моќност. Студија од 2021 година демонстрираше склоп на перманентни магнети со користење на низа од NdFeB магнети од Халбах и мекомагнетен Супермендур за да се постигне униформно поле од 1,5 T преку воздушен празнина од 7 mm, погодно за работа со кубити.
• Кубити со нуклеарна магнетна резонанца (NMR) : Во квантното пресметување базирано на NMR, кубитите се кодирани во нуклеарни спинови, а нивната манипулација се потпира на надворешни магнетни полиња. NdFeB магнетите обезбедуваат висока хомогеност и стабилност потребна за прецизна контрола на спинот, како што се гледа кај десктоп платформите за квантно пресметување како SpinQ Gemini, кој користи систем за шимирање на поле за одржување на стабилна магнетна средина за задачи со NMR и квантно пресметување.

2.2 Заштита на суперспроводливи квантни битови од електромагнетни пречки

Суперспроводливите кубити се ранливи на електромагнетни пречки (EMI), кои можат да предизвикаат несакани транзиции и декохеренција. Заштитата на овие кубити е клучна за сигурно работење, а NdFeB магнетите играат двојна улога:

• Пасивно заштитување : NdFeB магнетите можат да се интегрираат во повеќеслојни заштитни дизајни за да се намалат залутаните електромагнетни полиња. На пример, една студија од 2022 година користела Vantablack - супер-црна обвивка со висока магнетна пропустливост - во комбинација со NdFeB магнети за да ги заштити суперспроводливите кубитни системи од инфрацрвено зрачење и EMI, постигнувајќи 100-кратно намалување на шумот.
• Активно заштитување : Во некои дизајни, NdFeB магнетите се користат за генерирање на спротивставени полиња што ги поништуваат надворешните пречки, техника позната како активно магнетно заштитување. Овој пристап е особено корисен во средини со динамичен магнетен шум, како што се во близина на машини за магнетна резонанца или во вселенски квантни експерименти.

2.3 Заплеткување на кубити со користење на магнетни полиња

Истражувачите почнаа да истражуваат техники базирани на магнет за заплеткување кубити, процес неопходен за квантно пресметување. На пример, студија од 2023 година покажа едноставен, но ефикасен метод за заплеткување на суперспроводливи кубити користејќи микробранови фотони и магнетни полиња генерирани од NdFeB магнети. Овој пристап би можел да го поедностави дизајнот на квантните кола и да овозможи скалабилни квантни процесори.

3. NdFeB магнети во истражувањето на вселената

3.1 Симулирање на микрогравитациски средини

Истражувањето на микрогравитацијата е од витално значење за разбирање на феномени како што се однесувањето на течностите, согорувањето и биолошките процеси во вселената. Сепак, спроведувањето експерименти во орбитата е скапо и логистички предизвикувачко. NdFeB магнетите нудат алтернатива на Земјата:

• Магнетна левитација : NdFeB магнетите со висока енергија можат да левитираат дијамагнетни материјали (на пр., вода, растенија) со генерирање силни градиенти во магнетното поле. На пример, микрофлуидна платформа развиена во 2021 година користела NdFeB магнети за левитација на семето на Arabidopsis во рамнина на рамнотежа, симулирајќи услови на микрогравитација за студии за раст на растенијата.
• Падни кули и параболични летови : Иако овие објекти обезбедуваат краткотрајна микрогравитација (секунди до минути), системите за левитација базирани на NdFeB овозможуваат континуирана симулација на микрогравитација, олеснувајќи долгорочни експерименти на клеточни култури, раст на кристали и синтеза на материјали.

3.2 Одржување на здравјето на астронаутите

Продолжената изложеност на микрогравитација доведува до мускулна атрофија и губење на коскената густина кај астронаутите. NdFeB магнетите се користат во уредите за контрамерки за ублажување на овие ефекти:

• Стимулација на мускулите : НАСА употреби NdFeB магнети во носиви уреди кои применуваат локализирани магнетни полиња за стимулирање на мускулните контракции, помагајќи во одржувањето на мускулниот тонус за време на вселенските мисии. Овие магнети обезбедуваат неинвазивна, енергетски ефикасна алтернатива на електричната стимулација.
• Зачувување на коскената густина : Новите истражувања ја истражуваат употребата на пулсирани електромагнетни полиња (PEMF) генерирани од NdFeB магнети за подобрување на формирањето на коските и намалување на ресорпцијата во микрогравитација. Првичните резултати сугерираат дека PEMF терапијата би можела да биде одржлива контрамерка за остеопороза предизвикана од вселенски летови.

3.3 Напојување на напредни погонски системи

NdFeB магнетите се составен дел од технологиите за вселенски погон од следната генерација, како што се:

• Јонски погонски мотори : Овие погонски мотори користат магнетни полиња за ограничување и забрзување на јонизиран погонски материјал (на пр., ксенон). NdFeB магнетите, со нивната висока јачина на полето, овозможуваат компактни, високо ефикасни јонски погонски мотори за мисии во длабока вселена.
• Магнетоплазмадинамички (MPD) погонски мотори : MPD погонските мотори се потпираат на силни магнетни полиња за јонизирање и забрзување на плазмата, генерирајќи потисок. Во магнетните млазници на овие погонски мотори се користат NdFeB магнети, со што се подобруваат нивните перформанси и се намалува потрошувачката на енергија.

3.4 Овозможување на квантни експерименти базирани на вселената

Квантните технологии се подготвени да ја револуционизираат вселенската сензорска технологија, комуникацијата и навигацијата. NdFeB магнетите се клучни за овие апликации:

• Атомски часовници : Ултрапрецизните атомски часовници, неопходни за GPS и навигација во длабоката вселена, користат магнетни полиња за да ги заробат и манипулираат атомите. NdFeB магнетите обезбедуваат стабилни полиња потребни за високопрецизно мерење на времето во вселената.
• Квантни сензори : Магнетометрите базирани на суперспроводливи квантни интерферентни уреди (SQUID) или центри за азотни празнини (NV) во дијамант бараат силни, униформни магнетни полиња за чувствителни мерења. NdFeB магнетите овозможуваат компактни квантни сензори со мала моќност за откривање на магнетни аномалии на планетарните површини или следење на вселенското време.

4. Предизвици и идни насоки

4.1 Технички предизвици

• Температурна чувствителност : NdFeB магнетите ја губат коерцитивноста на покачени температури (над 150°C), ограничувајќи ја нивната употреба во високотемпературни вселенски средини или во близина на суперспроводливи кубити кои работат на криогени температури. Истражувањата се фокусираат на развој на високотемпературни варијанти на NdFeB или хибридни магнетни системи кои комбинираат NdFeB со самариум-кобалт (SmCo) или феритни магнети.
• Хомогеност на магнетното поле : Постигнувањето на хомогеност на полето под ppm потребна за квантно пресметување е предизвик со перманентни магнети. Се истражуваат напредни техники на производство, како што се 3D печатење на магнетни низи и методи на градиентно обложување, за да се подобри униформноста на полето.

4.2 Идни трендови

• Хибридни магнетни системи : Комбинирањето на NdFeB магнети со електромагнети или суперспроводливи намотки би можело да ги искористи предностите на обете технологии - висока јачина на полето од NdFeB и подесливост од електромагнети - за апликации како што се корекција на квантни грешки и динамичко заштитување.
• Минијатуризација : Бидејќи квантните и вселенските технологии бараат помали, полесни компоненти, истражувањата се фокусираат на микроскални NdFeB магнети изработени со употреба на техники на адитивно производство или техники на тенкофилмско таложење. Овие минијатуризирани магнети би можеле да овозможат преносливи квантни уреди и компактни погонски системи за мали сателити.

5. Заклучок

NdFeB магнетите го трансформираат квантното пресметување и истражувањето на вселената преку обезбедување силни, стабилни магнетни полиња во компактни, енергетски ефикасни пакувања. Во квантното пресметување, тие стабилизираат кубити, заштитуваат суперспроводливи кола и овозможуваат нови техники на заплеткување, отворајќи го патот за скалабилни квантни процесори. Во истражувањето на вселената, тие симулираат микрогравитација, го одржуваат здравјето на астронаутите, напојуваат напредни погонски системи и поддржуваат квантно-базирани сензори и навигација. Додека предизвиците како што се чувствителноста на температурата и хомогеноста на полето продолжуваат, тековните истражувања за хибридни магнетни системи и минијатуризацијата ветуваат дека ќе отклучат нови граници за NdFeB магнетите во овие високотехнолошки сектори. Како што квантните и вселенските технологии продолжуваат да се развиваат, NdFeB магнетите ќе останат неопходни алатки за иновации и откритија.