Finns det några potentiella tillämpningar av Ndfeb-magneter inom kvantberäkning (till exempel för att skärma supraledande kvantbitar) eller inom rymdutforskning (till exempel för att simulera miljöer med låg gravitation)?

1. Introduktion

NdFeB-magneter, som huvudsakligen består av den intermetalliska föreningen Nd₂Fe₁₄B, är de starkaste permanentmagneterna som finns kommersiellt tillgängliga, med energiprodukter (BHmax) som överstiger 50 MGOe. Deras överlägsna magnetiska egenskaper – hög remanens (Br > 1,3 T), koercitivitet (Hci > 2 MA/m²) och energitäthet – härrör från den starka enaxiella magnetokristallina anisotropin hos Nd₂Fe₁₄B-fasen. Även om de används i stor utsträckning i motorer, generatorer och magnetiska separatorer, expanderar deras tillämpningar till högteknologiska sektorer som kvantberäkning och rymdutforskning, drivet av behovet av kompakta, högpresterande magnetiska lösningar i extrema miljöer.

2. NdFeB-magneter i kvantberäkning

2.1 Stabilisering av qubits med starka magnetfält

Qubits, de grundläggande enheterna för kvantinformation, är mycket känsliga för omgivningsbuller, vilket leder till dekoherens – ett stort hinder inom kvantberäkning. NdFeB-magneter ger de starka, stabila magnetfält som krävs för att stabilisera qubits och förlänga deras koherenstider. Till exempel:

• Supraledande qubits : I supraledande kvantkretsar implementeras qubits med hjälp av Josephson-övergångar, vilka kräver exakta magnetfält för att justera sina energinivåer. NdFeB-magneter, med sin höga fältstyrka (upp till 1,5 T över små luftgap), möjliggör kompakta qubit-styrsystem med låg effekt. En studie från 2021 visade en permanentmagnetmontering med en Halbach-matris av NdFeB-magneter och mjukmagnetiska Supermendur för att uppnå ett enhetligt 1,5 T-fält över ett 7 mm luftgap, lämpligt för qubit-drift.
• Kärnmagnetisk resonans (NMR) qubits : I NMR-baserad kvantberäkning kodas qubits i kärnspinn, och deras manipulation är beroende av externa magnetfält. NdFeB-magneter ger den höga homogenitet och stabilitet som krävs för exakt spinnkontroll, vilket ses i stationära kvantberäkningsplattformar som SpinQ Gemini, som använder ett fältshimmingssystem för att upprätthålla en stabil magnetisk miljö för NMR- och kvantberäkningsuppgifter.

2.2 Skydd av supraledande kvantbitar från elektromagnetisk störning

Supraledande qubitar är sårbara för elektromagnetisk störning (EMI), vilket kan orsaka oönskade övergångar och dekoherens. Att skärma dessa qubitar är avgörande för tillförlitlig drift, och NdFeB-magneter spelar en dubbel roll:

• Passiv skärmning : NdFeB-magneter kan integreras i flerskiktsskärmningskonstruktioner för att dämpa elektromagnetiska strömfält. Till exempel använde en studie från 2022 Vantablack – en supersvart beläggning med hög magnetisk permeabilitet – i kombination med NdFeB-magneter för att skydda supraledande qubit-system från infraröd strålning och EMI, vilket uppnådde en 100-faldig minskning av brus.
• Aktiv skärmning : I vissa utföranden används NdFeB-magneter för att generera motverkande fält som eliminerar externa störningar, en teknik som kallas aktiv magnetisk skärmning. Denna metod är särskilt användbar i miljöer med dynamiskt magnetiskt brus, såsom nära MR-apparater eller i rymdbaserade kvantexperiment.

2.3 Sammanflätning av qubits med hjälp av magnetfält

Forskare har börjat utforska magnetbaserade tekniker för att sammanfläta qubitar, en process som är avgörande för kvantberäkning. Till exempel visade en studie från 2023 en enkel men effektiv metod för att sammanfläta supraledande qubitar med hjälp av mikrovågsfotoner och magnetfält genererade av NdFeB-magneter. Denna metod skulle kunna förenkla designen av kvantkretsar och möjliggöra skalbara kvantprocessorer.

3. NdFeB-magneter inom rymdutforskning

3.1 Simulering av mikrogravitationsmiljöer

Mikrogravitationsforskning är avgörande för att förstå fenomen som vätskebeteende, förbränning och biologiska processer i rymden. Att utföra experiment i omloppsbana är dock dyrt och logistiskt utmanande. NdFeB-magneter erbjuder ett markbaserat alternativ:

• Magnetisk levitation : Högenergiska NdFeB-magneter kan få diamagnetiska material (t.ex. vatten, växter) att levitera genom att generera starka gradienter i magnetfältet. Till exempel använde en mikrofluidisk plattform som utvecklades 2021 NdFeB-magneter för att få Arabidopsis-frön att levitera i ett jämviktsplan, vilket simulerade mikrogravitationsförhållanden för växttillväxtstudier.
• Dropptorn och paraboliska flygningar : Medan dessa anläggningar erbjuder kortvarig mikrogravitation (sekunder till minuter), möjliggör NdFeB-baserade levitationssystem kontinuerlig mikrogravitationssimulering, vilket underlättar långsiktiga experiment på cellkulturer, kristalltillväxt och materialsyntes.

3.2 Att upprätthålla astronauternas hälsa

Långvarig exponering för mikrogravitation leder till muskelatrofi och förlust av bentäthet hos astronauter. NdFeB-magneter används i motåtgärdsanordningar för att mildra dessa effekter:

• Muskelstimulering : NASA har använt NdFeB-magneter i bärbara enheter som applicerar lokala magnetfält för att stimulera muskelkontraktioner, vilket hjälper till att bibehålla muskeltonus under rymduppdrag. Dessa magneter erbjuder ett icke-invasivt, energieffektivt alternativ till elektrisk stimulering.
• Bevarande av bentäthet : Ny forskning undersöker användningen av pulserade elektromagnetiska fält (PEMF) genererade av NdFeB-magneter för att förbättra benbildning och minska resorption i mikrogravitation. Tidiga resultat tyder på att PEMF-behandling skulle kunna vara en gångbar motåtgärd för rymdfärdsinducerad osteoporos.

3.3 Drivkraft för avancerade framdrivningssystem

NdFeB-magneter är en integrerad del av nästa generations rymdframdrivningsteknik, såsom:

• Jonmotorer : Dessa motorer använder magnetfält för att begränsa och accelerera joniserat drivmedel (t.ex. xenon). NdFeB-magneter, med sin höga fältstyrka, möjliggör kompakta, högeffektiva jonmotorer för rymduppdrag.
• Magnetoplasmadynamiska (MPD) thrustrar : MPD-thrustrar använder starka magnetfält för att jonisera och accelerera plasma, vilket genererar dragkraft. NdFeB-magneter används i de magnetiska munstyckena på dessa thrustrar, vilket förbättrar deras prestanda och minskar strömförbrukningen.

3.4 Möjliggör rymdbaserade kvantexperiment

Kvantteknologier är redo att revolutionera rymdbaserad avkänning, kommunikation och navigering. NdFeB-magneter är avgörande för dessa tillämpningar:

• Atomklockor : Ultraprecisa atomklockor, viktiga för GPS och navigering i djupa rymden, använder magnetfält för att fånga och manipulera atomer. NdFeB-magneter ger de stabila fält som krävs för hög noggrann tidsmätning i rymden.
• Kvantsensorer : Magnetometrar baserade på supraledande kvantinterferensanordningar (SQUID) eller kvävevakanscentra (NV) i diamant kräver starka, enhetliga magnetfält för känsliga mätningar. NdFeB-magneter möjliggör kompakta kvantsensorer med låg effekt för att detektera magnetiska avvikelser på planetytor eller övervaka rymdväder.

4. Utmaningar och framtida riktningar

4.1 Tekniska utmaningar

• Temperaturkänslighet : NdFeB-magneter förlorar koercitivitet vid förhöjda temperaturer (över 150 °C), vilket begränsar deras användning i rymdmiljöer med hög temperatur eller nära supraledande qubits som arbetar vid kryogena temperaturer. Forskningen fokuserar på att utveckla högtemperatur-NdFeB-varianter eller hybridmagnetsystem som kombinerar NdFeB med samarium-kobolt (SmCo) eller ferritmagneter.
• Magnetisk fälthomogenitet : Att uppnå den fälthomogenitet på sub-ppm som krävs för kvantberäkning är utmanande med permanentmagneter. Avancerade tillverkningstekniker, såsom 3D-utskrift av magnetmatriser och gradientbeläggningsmetoder, utforskas för att förbättra fältuniformiteten.

4.2 Framtida trender

• Hybridmagnetsystem : Att kombinera NdFeB-magneter med elektromagneter eller supraledande spolar skulle kunna utnyttja styrkorna hos båda teknikerna – hög fältstyrka från NdFeB och avstämningsbarhet från elektromagneter – för tillämpningar som kvantfelkorrigering och dynamisk skärmning.
• Miniatyrisering : Eftersom kvant- och rymdteknik kräver mindre och lättare komponenter fokuserar forskningen på mikroskaliga NdFeB-magneter tillverkade med hjälp av additiv tillverkning eller tunnfilmsdeponeringstekniker. Dessa miniatyriserade magneter skulle kunna möjliggöra bärbara kvantenheter och kompakta framdrivningssystem för små satelliter.

5. Slutsats

NdFeB-magneter förändrar kvantberäkning och rymdutforskning genom att tillhandahålla starka, stabila magnetfält i kompakta, energieffektiva kapslar. Inom kvantberäkning stabiliserar de qubits, skyddar supraledande kretsar och möjliggör nya sammanflätningstekniker, vilket banar väg för skalbara kvantprocessorer. Inom rymdutforskning simulerar de mikrogravitation, upprätthåller astronauternas hälsa, driver avancerade framdrivningssystem och stöder kvantbaserad avkänning och navigering. Medan utmaningar som temperaturkänslighet och fälthomogenitet kvarstår, lovar pågående forskning om hybridmagnetsystem och miniatyrisering att öppna nya gränser för NdFeB-magneter inom dessa högteknologiska sektorer. I takt med att kvant- och rymdtekniken fortsätter att utvecklas kommer NdFeB-magneter att förbli oumbärliga verktyg för innovation och upptäckter.