Гонка за мощным постоянным магнитом без редкоземельных элементов упёрлась не в дефицит идей, а в фундаментальные ограничения вычислений. Несмотря на то что физика не запрещает существование такого материала, индустрия десятилетиями не может его создать — и теперь делает ставку на квантовые компьютеры.
Сегодня эталоном остаётся сплав неодим–железо–бор — NdFeB, обеспечивающий рекордную магнитную энергию и коэрцитивность. Его ключевое преимущество — наличие 4f-электронов редкоземельных элементов, которые усиливают магнитную анизотропию и «закрепляют» магнитные моменты в кристалле. Именно это свойство критично для создания стабильного и сильного магнита.
Проблема в том, что попытка заменить редкоземельные элементы упирается в сложность моделирования. Постоянный магнетизм — это не локальное свойство, а коллективный эффект, возникающий из коррелированного поведения огромного числа электронов. Их спины, орбитали и взаимные взаимодействия образуют систему с экспоненциальным числом состояний. Даже для сравнительно небольших кристаллов число возможных конфигураций становится астрономическим — классические суперкомпьютеры просто не справляются.
Именно поэтому, несмотря на анализ десятков тысяч соединений, коммерчески жизнеспособной альтернативы так и не появилось. Даже если алгоритмы находят «перспективный» материал, он часто оказывается либо нестабильным, либо невозможным для синтеза, либо теряет свойства вне идеальных условий.
На этом фоне появляется новая гипотеза: задача требует не просто больше вычислительной мощности, а другой вычислительной парадигмы. Парижский стартап Alice & Bob совместно с Los Alamos National Laboratory и GE Vernova тестирует подход, в котором квантовые компьютеры используются для прямого моделирования квантовой природы материалов.
Ключевая идея — задействовать квантовую суперпозицию и запутанность, позволяющие системе из n кубитов одновременно представлять 2ⁿ состояний. В теории это даёт возможность обрабатывать те самые коррелированные электронные системы, где классические методы «взрываются» по сложности.
Однако практическая реализация остаётся далёкой. По оценкам исследователей, первые полезные результаты возможны при появлении порядка 100 логических кубитов с полноценной коррекцией ошибок — ориентир на рубеже 2030 года. Для сравнения, существующие системы, включая разработки IBM, оперируют тысячами физических кубитов, но без достаточной стабильности для таких задач.
Параллельные подходы — от ИИ-дизайна материалов до проектов вроде MatterGen от Microsoft — также демонстрируют ограничения: они находят кандидатов, но не гарантируют их физическую реализуемость и промышленную пригодность.
В результате индустрия оказывается в парадоксальной точке. Теоретически «идеальный» магнит возможен, экономически — крайне востребован, геополитически — критичен. Но на практике его поиск упирается в одну из самых сложных задач современной науки: точное описание коллективного поведения электронов. И пока эта задача не решена, редкоземельные магниты сохраняют своё доминирование — не из-за отсутствия альтернатив, а из-за пределов вычислимости.
Источник: https://spectrum.ieee.org/rare-earth-free-magnets
Больше интересного – на медиапортале https://www.cta.ru/