稀土元素製成強大的磁鐵

1945年，科學家們建造了ENIAC，世界上第一台可程式設計的通用數位電腦（SN: 2/23/46, p. 118）。綽號“巨腦”的ENIAC比四頭大象還重，其占地面積約為一個網球場的三分之二。不到80年後，無處不在的智慧手機，其計算能力遠遠超過ENIAC。社會對電子技術的這種小型化，在很大程度上歸功於稀土元素的特殊磁力。小巧的稀土磁鐵可以與不含稀土的大型磁鐵做同樣的工作。

這是那些f電子在起作用。稀土有許多電子軌道，但是f電子位於一個由七個軌道組成的特定組中，稱為4f子殼。在任何子殼中，電子都試圖將自己分散在其中的軌道中。每個軌道最多可以容納兩個電子。但是，由於4f子殼包含七個軌道，而大多數稀土含有少於14個f電子，因此這些元素往往有多個只有一個電子的軌道。例如，釹原子擁有四個這樣的長子，而鏑和釤擁有五個。這些未配對的電子傾向於指向（或旋轉）同一個方向， 這就是我們經典地理解為磁性的南北兩極的形成原因。

由於這些孤獨的f電子在價電子的外殼後面閃爍，它們的同步自旋在某種程度上被遮罩了，不受熱和其他磁場等消磁力的影響，這使得它們非常適合用於建造永磁。永磁，像那些在冰箱門上托起圖片的磁鐵，被動地產生來自其原子結構的磁場，而不像電磁鐵，它需要電流並且可以被關閉。

但是，即使有遮罩層，稀土也有局限性。例如，純釹很容易被腐蝕和斷裂，其磁力在80攝氏度以上就開始失去強度。因此，製造商將一些稀土與其他金屬製成合金，以製造更有彈性的磁鐵，愛荷華州埃姆斯國家實驗室的理論物理學家Durga Paudyal說：“這很有效，因為一些稀土元素可以協調其他金屬的磁場。就像加重的骰子會優先落在一邊一樣，一些稀土如釹和釤在某些方向上表現出更強的磁性，因為它們的4f子殼中含有不均勻的填充軌道。這種方向性被稱為磁各向異性，可以利用它來協調鐵或鈷等其他金屬的磁場，以形成堅固、極其強大的磁體。”

最強大的稀土合金磁是釹鐵硼磁。例如，一塊三公斤重的釹合金磁可以舉起超過300公斤重的物體。世界上95%以上的永磁是由這種稀土合金製成的。釹鐵硼磁在智慧手機中產生振動，在耳塞和耳機中產生聲音，在硬碟中實現資料的讀寫，並產生核磁共振機器中使用的磁場。在這些磁中加入一點鏑，可以提高合金的耐熱性，使其成為在許多電動汽車發動機的高溫內部旋轉的轉子的良好選擇。

釤鈷磁開發於20世紀60年代，是第一批流行的稀土磁。雖然比釹鐵硼磁稍弱，但釤鈷磁具有卓越的耐熱性和耐腐蝕性，因此它們被用於高速電機、發電機、汽車和飛機的速度感測器，以及一些熱尋的導彈的移動部件中。釤鈷磁鐵還構成了大多數行波管的核心，這些行波管可以增強雷達系統和通信衛星的信號。其中一些管子正在傳輸來自旅行者1號航天器的資料—目前最遙遠的人造物體—超過230億公里遠（SN: 7/31/21, p. 18）。

由於稀土磁鐵的強度和可靠性，它們正在支援綠色技術。它們存在於電動汽車的電機、傳動系統、動力轉向系統和許多其他部件中。特斯拉在其射程最遠的Model 3汽車中使用釹合金磁，引發了對供應鏈的擔憂；中國提供了世界上絕大部分的釹（SN: 1/11/23）。

稀土永磁還被用於許多海上風力渦輪機，以取代齒輪箱，從而提高了效率並減少了維護。8月，中國工程師推出了“彩虹”，這是世界上第一條基於稀土磁鐵的磁懸浮列車線路，使列車能夠漂浮而不耗電。

在未來，稀土元素甚至可能推動量子計算。傳統電腦使用二進位比特，而量子電腦使用量子比特，它們可以同時佔據兩種狀態。事實證明，含有稀土的晶體是很好的量子比特，因為被遮罩的f-電子可以長期存儲量子資訊，研究人員預測：有一天，電腦科學家甚至可能利用稀土在量子比特中的發光特性，在量子電腦之間分享資訊，誕生一個量子互聯網。

https://www.sciencenews.org/article/rare-earth-elements-properties-technology

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