在弗兰克·赫伯特的太空歌剧中沙丘一种名为香料混合物的珍贵天然物质赋予人们探索广阔宇宙的能力，从而建立星际文明。
在现实生活中，一组被称为稀土元素的天然金属使我们的科技社会成为可能。几乎所有现代电子产品对这些关键元件的需求都在飙升。
稀土元素可以满足成千上万种不同的需求，例如铈可用作石油精炼催化剂，钆可在核反应堆中捕获中子。但这些元素最突出的功能在于发光和磁性。
我们依靠稀土元素来为智能手机屏幕着色，用荧光来识别欧元纸币的真实性，并通过海底光纤电缆传递信号。它们也是制造世界上最坚固、最可靠的磁铁所必需的。它们在你的耳机中产生声波，在太空中增强数字信息，并改变热寻的导弹的轨迹。稀土元素还推动了风能和电动汽车等绿色技术的发展，甚至可能催生出量子计算机的新部件。
“名单很长，”合成化学家兼独立顾问斯蒂芬·博伊德 (Stephen Boyd) 说。“它们无处不在。”
稀土？超级大国来自其电子
稀土元素包括镧系元素（镥和元素周期表中镧和镱之间的所有 14 种元素），以及钪和钇，它们往往存在于相同的矿床中，化学性质与镧系元素相似。这些灰色至银色的金属通常具有可锻性，熔点和沸点较高。
它们的秘密力量在于电子。所有原子都有一个原子核，周围环绕着电子，电子位于称为轨道的区域。离原子核最远的轨道上的电子是价电子，它们参与化学反应并与其他原子形成键。
大多数镧系元素都拥有另一组重要的电子，称为“f 电子”，它们位于靠近价电子但稍靠近原子核的“金发姑娘区”。内华达大学雷诺分校的无机化学家 Ana de Bettencourt-Dias 说：“正是这些 f 电子决定了稀土元素的磁性和发光性。”
在元素周期表中的位置
稀土元素是一组由 17 种元素组成的元素（在元素周期表中以蓝色突出显示）。稀土元素的一个子集被称为镧系元素（镥，Lu，加上以镧开头的行，La），每个元素都含有一个通常容纳 f 电子的亚壳层，这赋予元素磁性和发光特性。
稀土增添色彩和光芒
在一些海岸，夜海偶尔会发出蓝绿色的光，因为发光浮游生物在海浪中摇曳。稀土金属受到刺激时也会发光。德贝滕科特-迪亚斯说，诀窍是刺激它们的 f 电子。
科学家和工程师可以利用激光或灯之类的能源，将稀土元素的 f 电子激发到激发态，然后再让它回到静止状态，也就是基态。“当镧系元素回到基态时，”她说，“它们就会发光。”
德贝滕科特-迪亚斯说，每种稀土元素在受到激发时都能发出精确波长的光。这种可靠的精度使工程师能够仔细调整许多电子产品中的电磁辐射。例如，铽发出波长约为 545 纳米的光，非常适合制造电视、电脑和智能手机屏幕中的绿色荧光粉。铕有两种常见形态，用于制造红色和蓝色荧光粉。总而言之，这些荧光粉可以将屏幕涂成彩虹的大多数色调。
稀土元素也能发出有用的不可见光。钇是钇铝石榴石（YAG）的主要成分，YAG 是一种合成晶体，是许多高功率激光器的核心。工程师通过将 YAG 晶体与另一种稀土元素相结合来调整这些激光器的波长。最受欢迎的品种是掺钕 YAG 激光器，可用于从切割钢铁到去除纹身再到激光测距等各种用途。铒-YAG 激光束是微创手术的良好选择，因为它们很容易被肉中的水分吸收，因此不会切得太深。
左：GagogaSus/Wikimedia Commons（维基共享资源）抄送-SA 4.0）；右：ECB/Reinhold Gerstetter/Wikimedia Commons
除了激光，镧对于制造夜视镜中的红外吸收玻璃也至关重要。芝加哥大学分子工程师田中说：“铒驱动着我们的互联网。”我们的许多数字信息都是以波长约为 1,550 纳米的光的形式通过光纤传输的，铒发射的波长与波长相同。光纤电缆中的信号在远离源头的地方传输时会变暗。由于这些电缆可以延伸数千公里穿越海底，因此在光纤中添加铒以增强信号。
稀土元素可以制成强力磁铁
1945 年，科学家建造了（SN：2/23/46，第 118 页）。ENIAC 被昵称为“巨型大脑”，其重量超过四头大象，占地面积约为网球场的三分之二。
不到 80 年后，无处不在的智能手机——其计算能力远超 ENIAC——已经可以舒适地握在手掌中。社会将电子技术小型化，很大程度上归功于稀土金属的卓越磁力。微型稀土磁铁可以完成与不使用稀土金属制成的大型磁铁相同的工作。
正是这些 f 电子在起作用。稀土元素有许多电子轨道，但 f 电子位于一组称为 4f 亚壳层的七个轨道中。在任何亚壳层中，电子都会试图分散到内部的轨道中。每个轨道最多可容纳两个电子。但由于 4f 亚壳层包含七个轨道，而大多数稀土元素包含的 f 电子少于 14 个，因此这些元素往往只有一个电子，却有多个轨道。例如，钕原子拥有四个这样的孤子，而镝和钐则有五个。至关重要的是，这些不成对的电子往往指向（或自旋）同一个方向，博伊德说。“这就是我们传统上理解为磁性的北极和南极的形成原因。”
钟教授说，由于这些单独的 f 电子在价电子壳层后面移动，它们的同步自旋在一定程度上可以免受热和其他磁场等退磁场的影响，因此非常适合制造永磁体。永磁体（比如冰箱门上挂画的永磁体）会被动地产生由其原子结构产生的磁场，而电磁铁则需要电流，并且可以关闭。
但即使有屏蔽，稀土元素也有其局限性。例如，纯钕很容易腐蚀和断裂，其磁拉力在 80° 摄氏度以上开始减弱。因此，爱荷华州艾姆斯国家实验室的理论物理学家 Durga Paudyal 表示，制造商将一些稀土元素与其他金属制成合金，以制造更有弹性的磁体。他表示，这种方法很有效，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侧一样，一些稀土元素（如钕和钐）在某些方向上表现出更强的磁性，因为它们的 4f 亚壳层中含有不均匀填充的轨道。这种方向性称为磁各向异性，可用来协调铁或钴等其他金属的场，以形成坚固、超强的磁体。
最强大的稀土合金磁铁是钕铁硼磁铁。例如，一块三公斤的钕合金磁铁可以举起重达300公斤以上的物体。全球 95% 以上的永磁体就是由这种稀土合金制成的。钕铁硼磁铁可以在智能手机中产生振动，在耳塞和耳机中产生声音，可以在硬盘驱动器中读取和写入数据，并产生 MRI 机器中使用的磁场。在这些磁铁中添加一点镝可以提高合金的耐热性，使其成为许多电动汽车发动机内部高温旋转转子的良好选择。
钐钴磁铁于 20 世纪 60 年代开发，是第一种流行的稀土磁铁。虽然钐钴磁铁的强度略低于钕铁硼磁铁，但它具有出色的耐热性和耐腐蚀性，因此被用在高速电动机、发电机、汽车和飞机的速度传感器以及一些热寻的导弹的运动部件中。钐钴磁铁也是大多数行波管的核心，行波管可以增强雷达系统和通信卫星的信号。其中一些行波管正在从? 目前距离地球最远的人造物体 ? 距离地球超过 230 亿公里（SN：7/31/21，第 18 页）。
由于稀土磁铁坚固可靠，它们正在支持绿色技术。它们用于电动汽车的发动机、传动系统、动力转向和许多其他部件中。特斯拉在其续航里程最长的 Model 3 车型中使用钕合金磁铁引发了供应链担忧；（日期：1/11/23）。
稀土磁铁还用于许多海上风力涡轮机以取代变速箱，从而提高效率并减少维护。8 月，中国工程师推出了“彩虹”号磁悬浮列车，这是世界上第一条基于稀土磁铁的磁悬浮列车线路，可使列车漂浮而无需消耗电力。
未来，稀土甚至可能推动量子计算的发展。传统计算机使用二进制位（即 1 和 0），而量子计算机使用量子比特，量子比特可以同时占据两种状态。事实证明，含有稀土的晶体可以制成良好的量子比特，因为屏蔽的 f 电子可以长时间存储量子信息，钟说。他说，有一天，计算机科学家甚至可能利用量子比特中稀土的发光特性在量子计算机之间共享信息，从而诞生量子互联网。
现在预测稀土金属将如何影响这些新兴技术的扩张可能还为时过早。但可以肯定地说：我们将需要更多的稀土。
