Существуют ли потенциальные области применения магнитов NdFeB в квантовых вычислениях (например, для экранирования сверхпроводящих квантовых битов) или в исследовании космоса (например, для моделирования условий низкой гравитации)?

1. Введение

Магниты NdFeB, состоящие преимущественно из интерметаллического соединения Nd₂Fe₁₄B, являются самыми сильными постоянными магнитами, доступными на рынке, с их энергетическим произведением (BHmax) более 50 МГсЭ. Их превосходные магнитные свойства — высокая остаточная намагниченность (Br > 1,3 Тл), коэрцитивная сила (Hci > 2 МА/м) и плотность энергии — обусловлены сильной одноосной магнитокристаллической анизотропией фазы Nd₂Fe₁₄B. Хотя они широко используются в двигателях, генераторах и магнитных сепараторах, их применение расширяется и в высокотехнологичных областях, таких как квантовые вычисления и космические исследования, что обусловлено потребностью в компактных и высокопроизводительных магнитных решениях для экстремальных условий.

2. Магниты NdFeB в квантовых вычислениях

2.1 Стабилизация кубитов сильными магнитными полями

Кубиты, фундаментальные единицы квантовой информации, чрезвычайно чувствительны к шуму окружающей среды, что приводит к декогеренции — серьёзному препятствию в квантовых вычислениях. Магниты NdFeB создают сильные и стабильные магнитные поля, необходимые для стабилизации кубитов и увеличения времени их когерентности. Например:

• Сверхпроводящие кубиты : в сверхпроводящих квантовых схемах кубиты реализованы с использованием джозефсоновских переходов, которым требуются точные магнитные поля для настройки их энергетических уровней. Магниты NdFeB с высокой напряжённостью поля (до 1,5 Тл в малых воздушных зазорах) позволяют создавать компактные маломощные системы управления кубитами. Исследование 2021 года продемонстрировало сборку постоянных магнитов с использованием массива магнитов Halbach из NdFeB и магнитомягкого материала Supermendur для достижения равномерного поля 1,5 Тл в воздушном зазоре 7 мм, подходящего для работы кубитов.
• Кубиты ядерного магнитного резонанса (ЯМР) : в квантовых вычислениях на основе ЯМР кубиты кодируются в ядерных спинах, а их управление осуществляется с помощью внешних магнитных полей. Магниты NdFeB обеспечивают высокую однородность и стабильность, необходимые для точного управления спином, что подтверждается в настольных квантовых вычислительных платформах, таких как SpinQ Gemini, использующая систему шиммирования поля для поддержания стабильной магнитной среды для задач ЯМР и квантовых вычислений.

2.2 Защита сверхпроводящих квантовых битов от электромагнитных помех

Сверхпроводящие кубиты уязвимы к электромагнитным помехам (ЭМП), которые могут вызывать нежелательные переходы и декогеренцию. Экранирование этих кубитов критически важно для их надежной работы, и магниты NdFeB играют двойную роль:

• Пассивное экранирование : магниты NdFeB могут быть интегрированы в многослойные экранирующие конструкции для ослабления паразитных электромагнитных полей. Например, в исследовании 2022 года Vantablack — суперчёрное покрытие с высокой магнитной проницаемостью — в сочетании с магнитами NdFeB использовался для защиты сверхпроводящих кубитных систем от инфракрасного излучения и электромагнитных помех, что позволило снизить уровень шума в 100 раз.
• Активное экранирование : в некоторых конструкциях магниты NdFeB используются для создания противодействующих полей, нейтрализующих внешние помехи. Этот метод известен как активное магнитное экранирование. Этот подход особенно полезен в условиях динамических магнитных помех, например, вблизи аппаратов МРТ или в космических квантовых экспериментах.

2.3 Запутывание кубитов с помощью магнитных полей

Исследователи начали изучать методы запутывания кубитов с помощью магнитов, что является необходимым условием квантовых вычислений. Например, исследование 2023 года продемонстрировало простой, но эффективный метод запутывания сверхпроводящих кубитов с использованием микроволновых фотонов и магнитных полей, создаваемых магнитами NdFeB. Этот подход может упростить проектирование квантовых схем и создать масштабируемые квантовые процессоры.

3. Магниты NdFeB в исследовании космоса

3.1 Моделирование условий микрогравитации

Исследования в условиях микрогравитации жизненно важны для понимания таких явлений, как поведение жидкостей, горение и биологические процессы в космосе. Однако проведение экспериментов на орбите требует больших затрат и логистических сложностей. Магниты NdFeB представляют собой наземную альтернативу:

• Магнитная левитация : высокоэнергетические магниты NdFeB способны левитировать диамагнитные материалы (например, воду и растения), создавая сильные градиенты магнитного поля. Например, микрофлюидная платформа, разработанная в 2021 году, использовала магниты NdFeB для левитации семян арабидопсиса в плоскости равновесия, имитируя условия микрогравитации для исследований роста растений.
• Башни падения и параболические полеты : в то время как эти установки обеспечивают кратковременную микрогравитацию (от нескольких секунд до нескольких минут), системы левитации на основе NdFeB позволяют осуществлять непрерывное моделирование микрогравитации, облегчая проведение долгосрочных экспериментов на клеточных культурах, выращивании кристаллов и синтезе материалов.

3.2 Поддержание здоровья астронавтов

Длительное воздействие микрогравитации приводит к атрофии мышц и потере плотности костей у астронавтов. Магниты NdFeB используются в устройствах противодействия для смягчения этих эффектов:

• Мышечная стимуляция : НАСА использует магниты NdFeB в носимых устройствах, которые создают локальные магнитные поля для стимуляции мышечных сокращений, помогая поддерживать мышечный тонус во время космических полётов. Эти магниты представляют собой неинвазивную и энергоэффективную альтернативу электростимуляции.
• Сохранение плотности костной ткани : новые исследования изучают использование импульсных электромагнитных полей (ИПМП), генерируемых магнитами NdFeB, для стимуляции формирования костной ткани и снижения резорбции в условиях микрогравитации. Предварительные результаты показывают, что терапия ИПМП может быть эффективным средством борьбы с остеопорозом, вызванным космическими полетами.

3.3 Питание современных двигательных систем

Магниты NdFeB являются неотъемлемой частью технологий космических двигателей следующего поколения, таких как:

• Ионные двигатели : эти двигатели используют магнитные поля для удержания и ускорения ионизированного топлива (например, ксенона). Магниты NdFeB с высокой напряжённостью поля позволяют создавать компактные и высокоэффективные ионные двигатели для дальних космических полётов.
• Магнитоплазмодинамические (МПД) двигатели : МПД-двигатели используют сильные магнитные поля для ионизации и ускорения плазмы, создавая тягу. В магнитных соплах этих двигателей используются магниты NdFeB, что улучшает их характеристики и снижает энергопотребление.

3.4 Обеспечение возможности проведения космических квантовых экспериментов

Квантовые технологии готовы произвести революцию в области космических датчиков, связи и навигации. Магниты NdFeB критически важны для следующих применений:

• Атомные часы : сверхточные атомные часы, необходимые для GPS и навигации в дальнем космосе, используют магнитные поля для захвата и управления атомами. Магниты NdFeB обеспечивают стабильные поля, необходимые для высокоточного измерения времени в космосе.
• Квантовые датчики : магнитометры на основе сверхпроводящих квантовых интерференционных устройств (СКВИДов) или азотно-вакансионных центров (NV) в алмазе требуют сильных, однородных магнитных полей для чувствительных измерений. Магниты NdFeB позволяют создавать компактные, маломощные квантовые датчики для обнаружения магнитных аномалий на поверхности планет или мониторинга космической погоды.

4. Проблемы и будущие направления

4.1 Технические проблемы

• Температурная чувствительность : магниты NdFeB теряют коэрцитивную силу при повышенных температурах (выше 150 °C), что ограничивает их применение в высокотемпературных космических условиях или вблизи сверхпроводящих кубитов, работающих при криогенных температурах. Исследования сосредоточены на разработке высокотемпературных вариантов NdFeB или гибридных магнитных систем, сочетающих NdFeB с самарий-кобальтовыми (SmCo) или ферритовыми магнитами.
• Однородность магнитного поля : Достижение однородности поля на уровне менее ppm, необходимой для квантовых вычислений, при использовании постоянных магнитов представляет собой сложную задачу. Для повышения однородности поля изучаются передовые технологии производства, такие как 3D-печать массивов магнитов и методы градиентного покрытия.

4.2 Будущие тенденции

• Гибридные магнитные системы : сочетание магнитов NdFeB с электромагнитами или сверхпроводящими катушками может использовать сильные стороны обеих технологий — высокую напряженность поля NdFeB и настраиваемость электромагнитов — для таких применений, как квантовая коррекция ошибок и динамическое экранирование.
• Миниатюризация : поскольку квантовые и космические технологии требуют более компактных и лёгких компонентов, исследования сосредоточены на микромасштабных магнитах NdFeB, изготовленных с помощью аддитивного производства или тонкоплёночного осаждения. Эти миниатюрные магниты могут использоваться в портативных квантовых устройствах и компактных двигательных установках для малых спутников.

5. Заключение

Магниты NdFeB преобразуют квантовые вычисления и космические исследования, обеспечивая сильные, стабильные магнитные поля в компактных и энергоэффективных корпусах. В квантовых вычислениях они стабилизируют кубиты, экранируют сверхпроводящие схемы и позволяют использовать новые методы запутывания, открывая путь к масштабируемым квантовым процессорам. В космических исследованиях они имитируют микрогравитацию, поддерживают здоровье астронавтов, питают передовые двигательные системы и поддерживают квантовые датчики и навигацию. Хотя такие проблемы, как температурная чувствительность и однородность поля, сохраняются, продолжающиеся исследования гибридных магнитных систем и миниатюризации обещают открыть новые горизонты для магнитов NdFeB в этих высокотехнологичных областях. По мере развития квантовых и космических технологий магниты NdFeB останутся незаменимыми инструментами для инноваций и открытий.