在弗蘭克·赫伯特的太空歌劇中沙丘一種名為香料混合物的珍貴天然物質使人們能夠在浩瀚的宇宙中航行，建立星際文明。
在地球的現實生活中，一組被稱為稀土的天然金屬使我們自己的技術驅動的社會成為可能。幾乎所有現代電子產品對這些關鍵組件的需求都在飆升。
稀土滿足數千種不同的需求——例如，鈰被用作精煉石油的催化劑，钆在核反應堆中捕獲中子。但這些元素最突出的能力在於它們的發光和磁性。
我們依靠稀土來為智能手機屏幕著色，依靠熒光來表明歐元紙幣的真實性，並通過海底的光纖電纜傳遞信號。它們對於製造一些世界上最強、最可靠的磁鐵也至關重要。它們在你的耳機中產生聲波，在太空中增強數字信息，並改變熱尋導彈的軌跡。稀土還推動了風能和電動汽車等綠色技術的發展，甚至可能催生量子計算機的新組件。
“這個名單一直在不斷地增長，”合成化學家兼獨立顧問斯蒂芬·博伊德 (Stephen Boyd) 說。 “他們無處不在。”
稀土的超能力來自於它們的電子
稀土是鑭系元素（镥以及元素週期表中一行中鑭和鐿之間的所有 14 種元素）以及鈧和釔，它們往往出現在同一礦床中，並且與鑭系元素具有相似的化學性質。這些灰色至銀色金屬通常具有高熔點和沸點，具有延展性。
它們的秘密力量在於它們的電子。所有原子都有一個被電子包圍的原子核，電子位於稱為軌道的區域。離原子核最遠的軌道中的電子是價電子，它參與化學反應並與其他原子形成鍵。
大多數鑭系元素擁有另一組重要的電子，稱為“f電子”，它們位於價電子附近但稍靠近原子核的金發姑娘區。 “正是這些 f 電子決定了稀土元素的磁性和發光特性，”內華達大學里諾分校的無機化學家 Ana de Bettencourt-Dias 說道。
在元素週期表上的位置
稀土是一組 17 種元素（在元素週期表中以藍色突出顯示）。稀土的一個子集，稱為鑭系元素（镥，Lu，加上以鑭開頭的行，La），每個稀土元素都包含一個通常容納 f 電子的子殼層，f 電子賦予元素磁性和發光特性。
稀土增加顏色和光線
沿著一些海岸，夜海偶爾會發出藍綠色的光，因為生物發光的浮游生物在海浪中相互推擠。稀土金屬在受到刺激時也會輻射光。德貝當古-迪亞斯說，訣竅是刺激它們的 f 電子。
使用激光或燈等能源，科學家和工程師可以將稀土的一個 f 電子激發到激發態，然後讓它回到昏睡狀態或基態。 “當鑭系元素回到基態時，”她說，“它們就會發光。”
德貝當古-迪亞斯說，每種稀土在激發時都會可靠地發出精確波長的光。這種可靠的精度使工程師能夠仔細調整許多電子產品中的電磁輻射。例如，铽發出的光波長約為 545 納米，非常適合構建電視、計算機和智能手機屏幕中的綠色熒光粉。銪有兩種常見形式，用於製造紅色和藍色熒光粉。總而言之，這些熒光粉可以在屏幕上繪製出彩虹的大部分色調。
稀土還輻射出有用的不可見光。釔是釔鋁石榴石 (YAG) 的關鍵成分，YAG 是一種合成晶體，構成許多高功率激光器的核心。工程師通過將 YAG 晶體與另一種稀土結合來調整這些激光器的波長。最流行的品種是摻釹 YAG 激光器，其用途廣泛，從切割鋼材到去除紋身，再到激光測距。鉺-YAG 激光束是微創手術的一個不錯的選擇，因為它們很容易被肉中的水吸收，因此不會切得太深。
左：Xogasus/維基共享資源（抄送-SA 4.0）；右：歐洲央行/Reinhold Gerstetter/Wikimedia Commons
除了激光之外，鑭對於製造夜視鏡中的紅外吸收玻璃也至關重要。 “鉺驅動著我們的互聯網，”芝加哥大學的分子工程師田忠說。我們的大部分數字信息都以波長約為 1,550 納米的光通過光纖傳播——與鉺發出的波長相同。光纖電纜中的信號在遠離信號源時會變暗。由於這些電纜可以在海底延伸數千公里，因此在光纖中添加鉺來增強信號。
稀土可以製造強大的磁鐵
1945年，科學家們建造了(SN：2/23/46，第 14 頁118）。 ENIAC 綽號“巨腦”，其重量超過四頭大象，佔地面積約為網球場的三分之二大小。
不到 80 年後，無處不在的智能手機 — — 其計算能力遠超 ENIAC — — 緊緊地握在我們的手掌中。社會將電子技術的小型化在很大程度上歸功於稀土的非凡磁力。微小的稀土磁體可以完成與不含稀土的較大磁體相同的工作。
正是那些 f 電子在起作用。稀土元素有許多電子軌道，但 f 電子居住在一個由 7 個軌道組成的特定組中，稱為 4f 子殼層。在任何子殼層中，電子都會嘗試在內部軌道中擴散。每個軌道最多可容納兩個電子。但由於 4f 子殼層包含 7 個軌道，並且大多數稀土元素的 f 電子數少於 14 個，因此這些元素往往具有多個軌道，且只有一個電子。例如，釹原子擁有四個這樣的孤獨者，而鏑和釤則擁有五個。博伊德說，至關重要的是，這些不成對的電子往往指向或旋轉相同的方向。 “這就是產生我們傳統上理解的磁力的北極和南極的原因。”
鐘說，由於這些孤獨的f電子在價電子殼層後面掠過，它們的同步自旋在一定程度上可以免受熱和其他磁場等退磁力的影響，這使得它們非常適合製造永磁體。永磁體（例如在冰箱門上懸掛圖片的永磁體）會被動地產生由其原子結構產生的磁場，這與電磁體不同，電磁體需要電流並且可以關閉。
但即使有屏蔽，稀土也有其局限性。例如，純釹很容易腐蝕和斷裂，並且其磁力在 80°C 以上開始減弱。愛荷華州艾姆斯國家實驗室的理論物理學家 Durga Paudyal 表示，製造商將一些稀土與其他金屬製成合金，以製造更具彈性的磁鐵。他說，這種方法效果很好，因為一些稀土可以協調其他金屬的磁場。正如加重的骰子會優先落在一側一樣，一些稀土元素（如釹和釤）在某些方向上表現出更強的磁性，因為它們的 4f 子殼層中包含不均勻填充的軌道。這種方向性被稱為磁各向異性，可以用來協調其他金屬（如鐵或鈷）的磁場，以形成堅固、極其強大的磁鐵。
最強大的稀土合金磁鐵是釹鐵硼磁鐵。例如，一塊 3 公斤重的釹合金磁鐵可以舉起 300 公斤以上的物體。全球95%以上的永磁體由這種稀土合金製成。釹鐵硼磁鐵可以在智能手機中產生振動，在耳塞和耳機中產生聲音，可以在硬盤驅動器中讀取和寫入數據，並產生 MRI 機器中使用的磁場。在這些磁鐵中添加一點鏑可以提高合金的耐熱性，使其成為在許多電動汽車電機的高溫內部旋轉的轉子的不錯選擇。
釤鈷磁鐵於 20 世紀 60 年代開發，是最早流行的稀土磁鐵。雖然釤鈷磁鐵的強度稍弱於釹鐵硼磁鐵，但它具有優異的耐熱性和耐腐蝕性，因此它們被用於高速電機、發電機、汽車和飛機的速度傳感器以及一些熱尋導彈的運動部件。釤鈷磁鐵也是大多數行波管的核心，可增強來自雷達系統和通信衛星的信號。其中一些管子正在傳輸來自— 目前最遙遠的人造物體 — 距離超過 230 億公里（SN：21 年 7 月 31 日，第 14 頁18）。
由於稀土磁體堅固可靠，因此支持綠色技術。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。特斯拉在其續航里程最遠的 Model 3 車輛中使用釹合金磁鐵引發了供應鏈擔憂；(序列號：1/11/23）。
許多海上風力渦輪機還使用稀土磁體來取代齒輪箱，從而提高效率並減少維護。今年8月，中國工程師推出了世界上第一條基於稀土磁體的磁懸浮列車“彩虹”，使列車能夠在不消耗電力的情況下漂浮。
未來，稀土甚至可能推動量子計算的發展。傳統計算機使用二進制位（1 和 0），而量子計算機使用量子位，它可以同時佔據兩種狀態。事實證明，含有稀土的晶體可以形成良好的量子位，因為屏蔽的 f 電子可以長時間存儲量子信息，鐘說。他說，有一天，計算機科學家甚至可能利用量子位中稀土的發光特性在量子計算機之間共享信息並誕生量子互聯網。
現在準確預測稀土金屬將如何繼續影響這些不斷發展的技術的擴展可能還為時過早。但可以肯定地說：我們將需要更多稀土。
