Hvordan superledende 3D-printning fremmer kvantecomputere

Nanoskalaproduktion: At bygge fremtidens atom for atom

Efterhånden som forskere har udviklet en stigende beherskelse af den materielle verden, forventes der mere og mere præcision fra vores fremstillingsproces. Fra at smede metal groft i smedjer styrer vi nu individuelle atomer for at danne avancerede sensorer, transistorer osv.

En anden konsekvens af dette stigende kontrolniveau er muligheden for fundamentalt at ændre et materiales egenskaber. Vi er nu bekendt med, hvordan et tyndt lag silicium kan bringes til at "tænke" ved at omdanne det til en computerchip.

Andre ændringer er mulige, især at give materialer naturlige egenskaber, som de aldrig spontant ville have i naturen. En måde at gøre dette på er ved at ændre deres struktur på nanoskalaniveau.

Forskere ved Max Planck Instituttet (Tyskland), Instituttet for Nye Elektroniske Technologier (Tyskland) og Universitetet i Wien (Østrig) har fundet ud af, at de kan omdanne et materiale til en superleder ved at ændre dets 3D-konfiguration og dermed bygge komplekse nanostrukturer.

De annoncerede deres opdagelse i Advanced Function Material¹, under titlen "Rekonfigurerbare tredimensionelle superledende nanoarkitekturer".

Hvorfor 3D-nanostrukturer er nøglen til at bryde 2D-teknologiens grænser

Mange nanoskalasystemer er designet som simple 2D-ark, der giver forskere mulighed for at manipulere dem præcist.

Udvidelsen til tre dimensioner giver dog en mulighed for at overvinde grundlæggende begrænsninger og opnå nye funktionaliteter.

For eksempel har begrænsninger i halvlederminiaturisering betydet, at 2D-enheder ikke længere følger Moores lov. I stedet er industrien gået over til 3D-stablet CMOS for at opnå højere enhedstæthed og sammenkoblingsevne.

På samme måde tilbyder 3D-metamaterialer inden for optik ny kontrol over lysets egenskaber, såsom bredbåndspolarisering eller negative brydningsindekser, hver med deres egne brede potentielle anvendelser.

Det samme gælder nu for ledere og superledere, med opbygningen af ​​en proces, der fungerer som en 3D-nanoprinter, hvor strukturer ikke bygger på en plan overflade, men i 3D.

Kvanteeffekter i 3D superledende strukturer

Teorier om kvantepartikelfysik har allerede forudsagt, at 3D-strukturer ville opføre sig meget anderledes end 2D-strukturer. Dette gælder især for superledere, materialer uden elektrisk modstand, hvor 3D-strukturer forventedes at give mulighed for lokal kontrol over superledende hvirvler.

Opdagelsen af ​​denne type "magnetisk hvirvel" blev tildelt Nobelprisen i fysik i 2003, hvilket var et vigtigt gennembrud i forklaringen af, hvordan superledning fungerer.

Kilde: Nobelprisen

3D-strukturering af superledende materiale burde også skabe helt nye kvantefænomener (som "nodal tilstand i en superledende Möbius-strimmel“), som forskere derefter kunne bruge til at udvikle praktiske anvendelser.

Hvordan forskere byggede en 3D-nanoprinter til superledere

Forskerne brugte 3D-fokuseret elektronstråleinduceret aflejring (3D FEBID), en kendt metode til at bygge 3D-nanostrukturer, der ikke har været brugt til superledende materialer indtil nu.

De byggede en pyramideformet struktur med 4 nanoskopiske filamenter, der støtter hinanden. Den er lavet af superledende wolframkarbid (WC).

Kilde: Avanceret funktionsmateriale

De bekræftede derefter, at strukturen udviser en skarp superledende overgang ved omkring 5°K (-268°C / -450°F).

Derefter målte de, at hvirvlerne kan udbrede sig langs strukturen i en 3D-bevægelse og føre til en langtrækkende overførsel af information og spænding. 3D-strukturen kontrollerede også hvirvlernes form.

Kilde: Avanceret funktionsmateriale

Rekonfigurerbar superledning med magnetfelter

Ved at ændre retningen af ​​et magnetfelt kan den superledende egenskab i bund og grund tændes og slukkes efter behag på grund af hvirvlernes form.

Kilde: Avanceret funktionsmateriale

Dette muliggjorde skabelsen af ​​en fuldt superledende (SC) 3D-struktur, kun halvt superledende eller fuldt ud med normal elektrisk modstand (N).

Kilde: Avanceret funktionsmateriale

Muligheden for at skabe forskellige superledningstilstande i strukturen bliver mere interessant, da disse 3D-strukturer kan bygges i serie og forbindes ved hjælp af et system kaldet Josephsons svage led.

"Vi fandt ud af, at det er muligt at tænde og slukke for den superledende tilstand i forskellige dele af den tredimensionelle nanostruktur, blot ved at rotere strukturen i et magnetfelt."

På denne måde var vi i stand til at realisere en "rekonfigurerbar" superledende enhed!".

Claire Donnelly - Lise Meitner Gruppeleder ved MPI-CPfS

Dette baner vejen for at bygge komplekse superledende samlinger af individuelle delkomponenter, såsom nanoskopiske hængebroer.

Kilde: Avanceret funktionsmateriale

Hvordan 3D-superledere kan revolutionere sensorer og kvantechips

Selvom det er ekstremt imponerende, kan det i starten være lidt uklart, hvordan denne beherskelse af nanoskala 3D-printning af superledende materiale kan bruges til virkelige applikationer.

For det første er det allerede kendt, at Josephsons svage led kan bruges til at skabe ultrafølsomme magnetfeltsensorer. Tidligere skulle et sådant system indarbejdes i designet af den 2D-tynde film og forudbestemmes. Med dette rekonfigurerbare system er en iboende fordel ved 3D-strukturen, at der kan anvendes meget mere præcis og kontrollerbar måling.

Et andet felt, der vil drage fordel af dette, er superlederbaseret databehandling, herunder energieffektiv neuromorfologi og kvanteberegning. Den øgede sammenkobling og kompleksitet, som 3D-geometrier tilbyder, bør bidrage til at skabe mere komplekse og kraftfulde computerchips til disse systemer.

I sidste ende kan dette danne byggestenene for multiterminale 3D-forbindelser og sammenkoblede arrays af rekonfigurerbare svage led. Sammen burde disse radikalt ændre, hvordan en kvantecomputer kan laves, og bevæge sig ud over de nuværende 2D-systemer. De burde også være langt mere fleksible, da selve hardwaren kan rekonfigureres.

Investering i superledningsløsninger

American Superconductor Corporation: Investering i superledning i den virkelige verden

AMSC er en virksomhed, der leverer energiløsninger til elnettet, skibe og vindenergi. Generelt gælder det, at jo mere strømkrævende eller massivt et system er, jo mere kræver det superledende teknologi for at undgå overophedning.

På trods af sit navn leverer ASMC ikke kun superledersystemer, men også for eksempel geardrivlinjer til vindmøller.

Virksomheden rider på flere vækstfaktorer, herunder tendensen til elektrificering og digitalisering (herunder AI-datacentre), flytning af amerikansk produktionskapacitet og behovet for, at flåderne i den anglosfære moderniserer sig som reaktion på voksende geopolitiske risici.

Kilde: American Superconductor Corporation

I strømforsyningssegmentet har AMSC oplevet en støt stigning i ordrer. Dette blev drevet af halvlederfabrikater, der ønskede at blive beskyttet mod udsving i strømnettet, hvilket hjalp nettet med at håndtere den intermitterende karakter af vedvarende energi og strømforsyning og kontrol på industrianlæg.

Kilde: American Superconductor Corporation

AMSC er primært aktiv inden for elektriske styresystemer (ECS) i vindmøllesegmentet. Historisk set var ESC et stærkt segment for virksomheden med 2 MW-vindmøller, men det er gradvist faldet. AMSC sigter mod en genopretning takket være det nye 3 MW-mølledesign med særligt fokus på det indiske marked.

Kilde: American Superconductor Corporation

Til militærskibe leverer ASMC "AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure", et system til at ændre skibenes magnetiske signatur for at beskytte dem mod søminer. Dette er solgt til den amerikanske, canadiske og britiske flåde med ordrer til en værdi af 75 millioner dollars indtil videre.

Samlet set er ASMC bedst til at udnytte superlederteknologi i nicheapplikationer, der er levedygtige i dag, samtidig med at de sandsynligvis er klar til at implementere yderligere fremskridt i fremtiden.

Investorer bør også være opmærksomme på, at aktien tidligere har oplevet ekstrem volatilitet, og bør beregne risiciene i overensstemmelse hermed.

Seneste American Superconductor Corporation (AMSC) Aktienyheder og udvikling

Referencer til undersøgelser:

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.Strukturelt kompleks faseteknik muliggør hydrogentolerante Al-legeringer. Natur641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}