Да ли постоје потенцијалне примене Ndfeb магнета у квантном рачунарству (као што је заштита суперпроводних квантних битова) или у истраживању свемира (као што је симулација окружења са ниском гравитацијом)?

1. Увод

NdFeB магнети, састављени првенствено од интерметалног једињења Nd₂Fe₁₄B, су најјачи перманентни магнети доступни комерцијално, са енергетским производима (BHmax) који прелазе 50 MGOe. Њихова супериорна магнетна својства - висока реманенција (Br > 1,3 T), коерцитивност (Hci > 2 MA/m) и густина енергије - произилазе из јаке једноосне магнетокристалне анизотропије Nd₂Fe₁₄B фазе. Иако се широко користе у моторима, генераторима и магнетним сепараторима, њихова примена се шири у високотехнолошке секторе попут квантног рачунарства и истраживања свемира, вођена потребом за компактним, високоперформансним магнетним решењима у екстремним окружењима.

2. NdFeB магнети у квантном рачунарству

2.1 Стабилизација кубита јаким магнетним пољима

Кубити, фундаменталне јединице квантних информација, веома су осетљиви на шум из окружења, што доводи до декохеренције – главне препреке у квантном рачунарству. NdFeB магнети обезбеђују јака, стабилна магнетна поља неопходна за стабилизацију кубита и продужење њиховог времена кохеренције. На пример:

• Суперпроводљиви кубити : У суперпроводљивим квантним колима, кубити се имплементирају коришћењем Џозефсонових спојева, којима су потребна прецизна магнетна поља за подешавање њихових енергетских нивоа. NdFeB магнети, са својом високом јачином поља (до 1,5 Т преко малих ваздушних зазора), омогућавају компактне системе за управљање кубитима мале снаге. Студија из 2021. године демонстрирала је склоп перманентног магнета користећи Халбахов низ NdFeB магнета и меки магнетни Supermendur за постизање униформног поља од 1,5 Т преко ваздушног зазора од 7 мм, погодног за рад кубита.
• Кубити нуклеарне магнетне резонанце (НМР) : У квантном рачунарству заснованом на НМР-у, кубити су кодирани у нуклеарним спиновима, а њихова манипулација се ослања на спољашња магнетна поља. NdFeB магнети пружају високу хомогеност и стабилност потребну за прецизну контролу спина, као што се види на десктоп платформама за квантно рачунарство попут SpinQ Gemini, која користи систем за подешавање поља како би одржала стабилно магнетно окружење за НМР и квантне рачунарске задатке.

2.2 Заштита суперпроводних квантних битова од електромагнетних сметњи

Суперпроводни кубити су подложни електромагнетним сметњама (EMI), које могу изазвати нежељене прелазе и декохеренцију. Заштита ових кубита је кључна за поуздан рад, а NdFeB магнети играју двоструку улогу:

• Пасивна заштита : NdFeB магнети могу се интегрисати у вишеслојне заштитне дизајне како би се ублажила залутала електромагнетна поља. На пример, студија из 2022. године користила је Vantablack - суперцрни премаз са високом магнетном пермеабилношћу - у комбинацији са NdFeB магнетима за заштиту суперпроводних кубит система од инфрацрвеног зрачења и електромагнетних сметњи, постижући 100 пута мање шума.
• Активно заштита : У неким дизајнима, NdFeB магнети се користе за генерисање супротних поља која поништавају спољашње сметње, техника позната као активно магнетно заштита. Овај приступ је посебно користан у окружењима са динамичком магнетном буком, као што је близу МРИ апарата или у свемирским квантним експериментима.

2.3 Испреплитање кубита помоћу магнетних поља

Истраживачи су почели да истражују технике засноване на магнетима за испреплитање кубита, процес неопходан за квантно рачунање. На пример, студија из 2023. године показала је једноставан, али ефикасан метод за испреплитање суперпроводних кубита коришћењем микроталасних фотона и магнетних поља генерисаних NdFeB магнетима. Овај приступ би могао да поједностави дизајн квантних кола и омогући скалабилне квантне процесоре.

3. NdFeB магнети у истраживању свемира

3.1 Симулација микрогравитационих окружења

Истраживање микрогравитације је од виталног значаја за разумевање феномена као што су понашање флуида, сагоревање и биолошки процеси у свемиру. Међутим, спровођење експеримената у орбити је скупо и логистички изазовно. NdFeB магнети нуде алтернативу на земљи:

• Магнетна левитација : Високоенергетски NdFeB магнети могу левитирати диамагнетне материјале (нпр. воду, биљке) генерисањем јаких градијената у магнетном пољу. На пример, микрофлуидна платформа развијена 2021. године користила је NdFeB магнете за левитацију семена Arabidopsis у равнотежној равни, симулирајући услове микрогравитације за студије раста биљака.
• Падајући торњеви и параболични летови : Док ови објекти пружају краткотрајну микрогравитацију (секунде до минуте), системи левитације засновани на NdFeB-у омогућавају континуирану симулацију микрогравитације, олакшавајући дугорочне експерименте на ћелијским културама, расту кристала и синтези материјала.

3.2 Одржавање здравља астронаута

Дуготрајно излагање микрогравитацији доводи до атрофије мишића и губитка густине костију код астронаута. NdFeB магнети се користе у уређајима за противмере како би се ублажили ови ефекти:

• Стимулација мишића : НАСА је користила NdFeB магнете у носивим уређајима који примењују локализована магнетна поља како би стимулисали контракције мишића, помажући у одржавању мишићног тонуса током свемирских мисија. Ови магнети пружају неинвазивну, енергетски ефикасну алтернативу електричној стимулацији.
• Очување густине костију : Нова истраживања истражују употребу пулсирајућих електромагнетних поља (ПЕМФ) генерисаних NdFeB магнетима за побољшање формирања костију и смањење ресорпције у микрогравитацији. Рани резултати указују на то да би ПЕМФ терапија могла бити одржива контрамера за остеопорозу изазвану свемирским летовима.

3.3 Напајање напредних погонских система

NdFeB магнети су саставни део технологија свемирског погона следеће генерације, као што су:

• Јонски потисници : Ови потисници користе магнетна поља за ограничавање и убрзавање јонизованог погонског горива (нпр. ксенона). NdFeB магнети, са својом високом јачином поља, омогућавају компактне, високо ефикасне јонске потиснике за мисије у дубоком свемиру.
• Магнетоплазмадинамички (MPD) потисници : MPD потисници се ослањају на јака магнетна поља за јонизацију и убрзавање плазме, генеришући потисак. NdFeB магнети се користе у магнетним млазницама ових потисника, побољшавајући њихове перформансе и смањујући потрошњу енергије.

3.4 Омогућавање квантних експеримената у свемиру

Квантне технологије су спремне да револуционишу сензоре, комуникацију и навигацију у свемиру. NdFeB магнети су кључни за ове примене:

• Атомски сатови : Ултрапрецизни атомски сатови, неопходни за ГПС и навигацију у дубоком свемиру, користе магнетна поља за хватање и манипулацију атомима. NdFeB магнети обезбеђују стабилна поља потребна за високо прецизно мерење времена у свемиру.
• Квантни сензори : Магнетометри засновани на суперпроводним квантним интерферентним уређајима (SQUID) или центрима азотних празнина (NV) у дијаманту захтевају јака, униформна магнетна поља за осетљива мерења. NdFeB магнети омогућавају компактне квантне сензоре мале снаге за детекцију магнетних аномалија на планетарним површинама или праћење свемирског времена.

4. Изазови и будући правци

4.1 Технички изазови

• Осетљивост на температуру : NdFeB магнети губе коерцитивност на повишеним температурама (изнад 150°C), што ограничава њихову употребу у свемирским окружењима са високим температурама или у близини суперпроводних кубита који раде на криогеним температурама. Истраживања су усмерена на развој NdFeB варијанти за високе температуре или хибридних магнетних система који комбинују NdFeB са самаријум-кобалтним (SmCo) или феритним магнетима.
• Хомогеност магнетног поља : Постизање хомогености поља испод ppm, потребне за квантно рачунарство, представља изазов са перманентним магнетима. Напредне технике производње, као што су 3Д штампање магнетних низова и методе градијентног премазивања, истражују се како би се побољшала униформност поља.

4.2 Будући трендови

• Хибридни магнетни системи : Комбиновање NdFeB магнета са електромагнетима или суперпроводним калемовима могло би да искористи предности обе технологије - високу јачину поља од NdFeB и подесивост од електромагнета - за примене попут квантне корекције грешака и динамичког штита.
• Минијатуризација : Како квантне и свемирске технологије захтевају мање, лакше компоненте, истраживања се фокусирају на микроскопске NdFeB магнете направљене коришћењем адитивне производње или техника таложења танких филмова. Ови минијатуризовани магнети могли би омогућити преносиве квантне уређаје и компактне погонске системе за мале сателите.

5. Закључак

NdFeB магнети трансформишу квантно рачунарство и истраживање свемира пружајући јака, стабилна магнетна поља у компактним, енергетски ефикасним паковањима. У квантном рачунарству, они стабилизују кубите, штите суперпроводна кола и омогућавају нове технике испреплетања, отварајући пут за скалабилне квантне процесоре. У истраживању свемира, они симулирају микрогравитацију, одржавају здравље астронаута, напајају напредне погонске системе и подржавају квантно засновано сензорство и навигацију. Док изазови попут температурне осетљивости и хомогености поља и даље постоје, текућа истраживања хибридних магнетних система и минијатуризације обећавају да ће отворити нове границе за NdFeB магнете у овим високотехнолошким секторима. Како се квантне и свемирске технологије настављају развијати, NdFeB магнети ће остати неопходни алати за иновације и открића.