Сила магнита определяется множеством факторов, включая его форму, материал и степень намагниченности. Исследователи активно экспериментируют с различными свойствами магнитов, комбинируя разные типы и материалы для достижения рекордных показателей.
Магнетизм: фундаментальное явление и его применение
Магнетизм — одно из ключевых явлений в физике, играющее важную роль в таких областях, как электротехника, медицина и фундаментальная наука. Кроме того, магнитное поле Земли защищает нашу планету от космической радиации. Магнетизм возникает при движении электрических зарядов и проявляется в виде притяжения или отталкивания объектов с магнитными свойствами. Магниты могут быть как природного происхождения (например, из некоторых руд), так и искусственно созданными.
Сила магнита зависит от ряда свойств, включая материал, магнитную ориентацию, размер, форму, температуру и степень намагниченности. Эти факторы взаимодействуют друг с другом, определяя итоговую мощность магнита. В поисках самого сильного магнита ученые экспериментируют с этими параметрами, комбинируя различные типы магнитов.
Рекордный постоянный магнит: 45,22 Тесла
Магнетизм находит широкое применение в науке и технике, а сила магнита зависит от множества факторов. Одним из самых мощных постоянных магнитов в мире является гибридный магнит, созданный в лаборатории сильных магнитных полей (SHMFF) в Хэфэе, Китай. В августе 2022 года ученые достигли рекордного значения магнитной индукции — 45,22 Тесла, что более чем в миллион раз превышает силу магнитного поля Земли.
Магнит состоит из двух частей: внешнего сверхпроводящего кольца и внутреннего диска Биттера, который представляет собой чередующиеся проводящие и непроводящие пластины. Для создания такого мощного магнитного поля потребовалась энергия в 26,9 мегаватт. Ученые считают, что потенциал конструкции еще не исчерпан, и продолжают работать над повышением эффективности и напряженности магнитного поля. Этот магнит будет использоваться в основном для научных исследований [1, 2].
Еще более сильное магнитное поле
Рекорд китайских ученых был превзойден исследователями из Национальной лаборатории сильных магнитных полей во Флориде. С помощью гибридного магнита им удалось создать магнитное поле величиной 45,5 Тесла. Магнит состоит из проводящей ленты, покрытой материалом REBCO (REBa2Cu3Ox, где RE = Y, Gd), намотанной вокруг медного сердечника.
Компактная катушка может работать с чрезвычайно высокой плотностью тока — 1260 ампер на квадратный миллиметр. Такая плотность стала возможной благодаря отсутствию изоляции, что позволяет быстро переключаться между сверхпроводящим и нормальным состоянием. Однако магнитное поле оказалось нестабильным и существовало лишь короткое время из-за повреждения токопроводящих дорожек REBCO [3].
Молекулярные магниты: малые размеры, большие возможности
Особый класс магнитов — это одиночные молекулярные магниты (SMM). Они состоят из одной или нескольких молекул и обладают магнитными свойствами, аналогичными традиционным магнитам. Такие магниты активно изучаются, так как они позволяют глубже понять квантово-механические аспекты магнетизма и могут стать основой для новых технологий, таких как молекулярные накопители информации или квантовые компьютеры.
Исследователи из Калифорнийского университета в Беркли разработали молекулярный магнит на основе редкоземельных элементов (тербия). Используя мостик из атомов йода, они создали чрезвычайно прочную связь, которая генерирует магнитное поле напряженностью более 25 Тесла [4]. Это более чем в три раза превышает предыдущий рекорд для молекулярных магнитов (7,9 Тесла). Однако такие значения достигаются только при крайне низких температурах — около 60 Кельвинов.
Потенциальные области применения молекулярных магнитов включают создание носителей информации. Если современные жесткие диски хранят биты на нанометровом уровне, то молекулярные магниты позволят сократить размер одной битовой ячейки до нескольких ангстрем.
Кроме того, молекулярные магниты могут сыграть ключевую роль в развитии квантовых компьютеров. В 2022 году компания IBM представила квантовый процессор Osprey с 433 кубитами [5]. В 2023 году был выпущен процессор Condor с 1000 кубитов. Молекулярные магниты могут стать основой для создания квантовых процессоров с 100 000 кубитов, что откроет новые горизонты для квантовых вычислений.
Источники:
[1] Лаборатория сильных магнитных полей (SHMFF), Китай.
[2] Рекордное магнитное поле 45,22 Тесла.
[3] Национальная лаборатория сильных магнитных полей, Флорида.
[4] Исследование молекулярных магнитов в Калифорнийском университете.
[5] Разработки IBM в области квантовых компьютеров.