稀土元素制成强大的磁铁

1945年，科学家们建造了ENIAC，世界上第一台可编程的通用数字计算机（SN: 2/23/46, p. 118）。绰号“巨脑”的ENIAC比四头大象还重，其占地面积约为一个网球场的三分之二。不到80年后，无处不在的智能手机，其计算能力远远超过ENIAC。社会对电子技术的这种小型化，在很大程度上归功于稀土元素的特殊磁力。小巧的稀土磁铁可以与不含稀土的大型磁铁做同样的工作。

这是那些f电子在起作用。稀土有许多电子轨道，但是f电子位于一个由七个轨道组成的特定组中，称为4f子壳。在任何子壳中，电子都试图将自己分散在其中的轨道中。每个轨道最多可以容纳两个电子。但是，由于4f子壳包含七个轨道，而大多数稀土含有少于14个f电子，因此这些元素往往有多个只有一个电子的轨道。例如，钕原子拥有四个这样的长子，而镝和钐拥有五个。这些未配对的电子倾向于指向（或旋转）同一个方向， 这就是我们经典地理解为磁性的南北两极的形成原因。

由于这些孤独的f电子在价电子的外壳后面闪烁，它们的同步自旋在某种程度上被屏蔽了，不受热和其他磁场等消磁力的影响，这使得它们非常适合用于建造永磁。永磁，像那些在冰箱门上托起图片的磁铁，被动地产生来自其原子结构的磁场，而不像电磁铁，它需要电流并且可以被关闭。

但是，即使有屏蔽层，稀土也有局限性。例如，纯钕很容易被腐蚀和断裂，其磁力在80摄氏度以上就开始失去强度。因此，制造商将一些稀土与其他金属制成合金，以制造更有弹性的磁铁，爱荷华州埃姆斯国家实验室的理论物理学家Durga Paudyal说：“这很有效，因为一些稀土元素可以协调其他金属的磁场。就像加重的骰子会优先落在一边一样，一些稀土如钕和钐在某些方向上表现出更强的磁性，因为它们的4f子壳中含有不均匀的填充轨道。这种方向性被称为磁各向异性，可以利用它来协调铁或钴等其他金属的磁场，以形成坚固、极其强大的磁体。”

最强大的稀土合金磁是钕铁硼磁。例如，一块三公斤重的钕合金磁可以举起超过300公斤重的物体。世界上95%以上的永磁是由这种稀土合金制成的。钕铁硼磁在智能手机中产生振动，在耳塞和耳机中产生声音，在硬盘中实现数据的读写，并产生核磁共振机器中使用的磁场。在这些磁中加入一点镝，可以提高合金的耐热性，使其成为在许多电动汽车发动机的高温内部旋转的转子的良好选择。

钐钴磁开发于20世纪60年代，是第一批流行的稀土磁。虽然比钕铁硼磁稍弱，但钐钴磁具有卓越的耐热性和耐腐蚀性，因此它们被用于高速电机、发电机、汽车和飞机的速度传感器，以及一些热寻的导弹的移动部件中。钐钴磁铁还构成了大多数行波管的核心，这些行波管可以增强雷达系统和通信卫星的信号。其中一些管子正在传输来自旅行者1号航天器的数据—目前最遥远的人造物体—超过230亿公里远（SN: 7/31/21, p. 18）。

由于稀土磁铁的强度和可靠性，它们正在支持绿色技术。它们存在于电动汽车的电机、传动系统、动力转向系统和许多其他部件中。特斯拉在其射程最远的Model 3汽车中使用钕合金磁，引发了对供应链的担忧；中国提供了世界上绝大部分的钕（SN: 1/11/23）。

稀土永磁还被用于许多海上风力涡轮机，以取代齿轮箱，从而提高了效率并减少了维护。8月，中国工程师推出了“彩虹”，这是世界上第一条基于稀土磁铁的磁悬浮列车线路，使列车能够漂浮而不耗电。

在未来，稀土元素甚至可能推动量子计算。传统计算机使用二进制比特，而量子计算机使用量子比特，它们可以同时占据两种状态。事实证明，含有稀土的晶体是很好的量子比特，因为被屏蔽的f-电子可以长期存储量子信息，研究人员预测：有一天，计算机科学家甚至可能利用稀土在量子比特中的发光特性，在量子计算机之间分享信息，诞生一个量子互联网。

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

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