Informatik
Wie supraleitender 3D-Druck das Quantencomputing voranbringt
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Fertigung im Nanomaßstab: Die Zukunft Atom für Atom gestalten
Da Wissenschaftler die materielle Welt immer besser beherrschen, werden auch von unseren Fertigungsprozessen immer höhere Präzisionsanforderungen gestellt. Vom einfachen Schmieden von Metall in Schmieden steuern wir heute einzelne Atome, um hochentwickelte Sensoren, Transistoren usw. herzustellen.
Eine weitere Folge dieser zunehmenden Kontrolle ist die Möglichkeit, die Eigenschaften eines Materials grundlegend zu verändern. Wir wissen heute, wie man eine dünne Siliziumschicht zum „Denken“ bringen kann, indem man sie in einen Computerchip verwandelt.
Weitere Veränderungen sind möglich, insbesondere die Verleihung natürlicher Eigenschaften von Materialien, die sie in der Natur nicht spontan aufweisen würden. Eine Möglichkeit hierfür ist die Veränderung ihrer Struktur auf Nanoebene.
Wissenschaftler des Max-Planck-Instituts (Deutschland), des Institute for Emerging Electronic Technologies (Deutschland) und der Universität Wien (Österreich) haben herausgefunden, dass sie ein Material in einen Supraleiter verwandeln können, indem sie seine 3D-Konfiguration ändern und so komplexe Nanostrukturen aufbauen.
Sie gaben ihre Entdeckung in Advanced Function Material bekannt1, unter dem Titel "Rekonfigurierbare dreidimensionale supraleitende Nanoarchitekturen".
Warum 3D-Nanostrukturen der Schlüssel zum Durchbrechen der Grenzen der 2D-Technologie sind
Viele Nanosysteme sind als einfache 2D-Blätter konzipiert, sodass Wissenschaftler sie präzise manipulieren können.
Allerdings bietet die Erweiterung auf drei Dimensionen die Möglichkeit, grundlegende Einschränkungen zu überwinden und neue Funktionalitäten zu erreichen.
Beispielsweise führten Einschränkungen bei der Miniaturisierung von Halbleitern dazu, dass 2D-Geräte nicht mehr dem Mooreschen Gesetz folgen. Stattdessen ist die Branche auf 3D-gestapelte CMOS-Bausteine umgestiegen, um eine höhere Gerätedichte und Interkonnektivität zu erreichen.
In ähnlicher Weise bieten 3D-Metamaterialien in der Optik neue Möglichkeiten zur Kontrolle der Lichteigenschaften, wie etwa Breitbandpolarisation oder negative Brechungsindizes, die jeweils über ein breites Anwendungspotenzial verfügen.
Dasselbe gilt nun auch für Leiter und Supraleiter, wobei ein Verfahren entwickelt wurde, das wie ein 3D-Nanodrucker funktioniert und Strukturen nicht auf einer flachen Oberfläche, sondern in 3D aufbaut.
Quanteneffekte in 3D-supraleitenden Strukturen
Theorien der Quantenteilchenphysik haben bereits vorhergesagt, dass sich 3D-Strukturen deutlich anders verhalten als 2D-Strukturen. Dies gilt insbesondere für Supraleiter, Materialien ohne elektrischen Widerstand, bei denen 3D-Strukturen eine lokale Kontrolle supraleitender Wirbel ermöglichen sollten.
Die Entdeckung dieser Art von „magnetischem Wirbel“ wurde 2003 mit dem Nobelpreis für Physik gewürdigt und war ein entscheidender Durchbruch bei der Erklärung der Funktionsweise der Supraleitung.
Quelle: Nobelpreis
Die 3D-Strukturierung von supraleitendem Material dürfte zudem völlig neue Quantenphänomene (wie die „Knotenzustand in einem supraleitenden Möbiusband“), die Forscher dann nutzen könnten, um praktische Anwendungen zu entwickeln.
Wie Wissenschaftler einen 3D-Nanodrucker für Supraleiter bauten
Die Forscher verwendeten die 3D-fokussierte Elektronenstrahl-induzierte Abscheidung (3D FEBID), eine bekannte Methode zum Aufbau von 3D-Nanostrukturen, die bisher nicht für supraleitende Materialien verwendet wurde.
Sie bauten eine pyramidenförmige Struktur mit vier nanoskopischen Filamenten, die sich gegenseitig stützen. Sie besteht aus supraleitendem Wolframkarbid (WC).
Anschließend bestätigten sie, dass die Struktur bei etwa 5°K (-268°C / -450°F) einen scharfen supraleitenden Übergang aufweist.
Anschließend maßen sie, dass sich die Wirbel dreidimensional entlang der Struktur ausbreiten und so eine weitreichende Übertragung von Informationen und Spannungen ermöglichen. Die 3D-Struktur kontrollierte auch die Form der Wirbel.
Rekonfigurierbare Supraleitung mit Magnetfeldern
Durch Ändern der Richtung eines Magnetfelds konnte die supraleitende Eigenschaft aufgrund der Form der Wirbel im Wesentlichen nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden.
Dies ermöglichte die Schaffung einer vollständig supraleitenden (SC) 3D-Struktur, einer nur halb supraleitenden oder einer vollständig supraleitenden Struktur mit normalem elektrischen Widerstand (N).
Die Möglichkeit, verschiedene Supraleitungszustände innerhalb der Struktur zu erzeugen, wird noch interessanter, da diese 3D-Strukturen in Reihe aufgebaut und miteinander verbunden werden können, mithilfe eines Systems namens Josephson-Schwachstellen.
„Wir haben festgestellt, dass es möglich ist, den supraleitenden Zustand in verschiedenen Teilen der dreidimensionalen Nanostruktur ein- und auszuschalten, indem man die Struktur einfach in einem Magnetfeld dreht.
Auf diese Weise konnten wir ein „rekonfigurierbares“ supraleitendes Gerät realisieren!“
Claire Donnelly - Leiterin der Lise-Meitner-Gruppe am MPI-CPfS
Dies eröffnet die Möglichkeit, komplexe supraleitende Baugruppen aus einzelnen Unterkomponenten zu bauen, beispielsweise nanoskopische Hängebrücken.
Wie 3D-Supraleiter Sensoren und Quantenchips revolutionieren könnten
Obwohl dies äußerst beeindruckend ist, kann es zunächst etwas unklar sein, wie diese Beherrschung des 3D-Drucks von supraleitendem Material im Nanomaßstab für reale Anwendungen genutzt werden kann.
Erstens ist bereits bekannt, dass sich Josephson-Weichverbindungen zur Herstellung hochempfindlicher Magnetfeldsensoren nutzen lassen. Bisher musste ein solches System in das Design des zweidimensionalen Dünnfilms integriert und vorab festgelegt werden. Mit diesem rekonfigurierbaren System bietet die dreidimensionale Struktur einen wesentlichen Vorteil: Es ermöglicht deutlich präzisere und kontrollierbarere Messungen.
Ein weiterer Bereich, der davon profitieren wird, ist das supraleiterbasierte Computing, einschließlich der energieeffizienten Neuromorphie und des Quantencomputings. Die verbesserte Interkonnektivität und Komplexität durch 3D-Geometrien dürfte dazu beitragen, komplexere und leistungsfähigere Computerchips für diese Systeme zu entwickeln.
Letztendlich könnten diese Bausteine die Grundlage für mehrpolige 3D-Verbindungen und vernetzte Arrays rekonfigurierbarer schwacher Verbindungen bilden. Zusammen dürften diese die Bauweise eines Quantencomputers radikal verändern und über die aktuellen 2D-Systeme hinausgehen. Sie dürften zudem deutlich flexibler sein, da die Hardware selbst rekonfigurierbar ist.
In Supraleitungslösungen investieren
American Superconductor Corporation: Investition in reale Supraleitung
(AMSC )
AMSC ist ein Unternehmen, das Energielösungen für das Stromnetz, Schiffe und Windenergie anbietet. Generell gilt: Je stromhungriger oder massiver ein System ist, desto mehr supraleitende Technologie ist erforderlich, um eine Überhitzung zu vermeiden.
Trotz seines Namens bietet ASMC nicht nur Supraleitersysteme an, sondern beispielsweise auch Getriebeantriebe für Windkraftanlagen.
Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, darunter dem Trend zur Elektrifizierung und Digitalisierung (einschließlich KI-Rechenzentren), der Rückverlagerung von Produktionskapazitäten in die USA und der Notwendigkeit einer Modernisierung der Marinen des englischsprachigen Raums als Reaktion auf wachsende geopolitische Risiken.
Quelle: American Supraleiter Corporation
Im Bereich der Stromversorgung verzeichnete AMSC einen stetigen Anstieg der Bestellungen. Dies ist auf Halbleiterfabriken zurückzuführen, die sich vor Schwankungen im Stromnetz schützen möchten, um das Netz bei der schwankenden Verfügbarkeit erneuerbarer Energien zu unterstützen, sowie auf Stromversorgung und Steuerungen an Industriestandorten.
Quelle: American Supraleiter Corporation
AMSC ist hauptsächlich mit elektrischen Steuerungssystemen (ECS) im Windturbinensegment tätig. Historisch gesehen war ESC mit seinen 2-MW-Windturbinen ein starkes Segment für das Unternehmen, dessen Wachstum jedoch zunehmend zurückging. AMSC strebt dank des neuen 3-MW-Turbinendesigns eine Erholung an, mit besonderem Fokus auf den indischen Markt.
Quelle: American Supraleiter Corporation
Für Militärschiffe bietet ASMC die „AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure“ an, ein System zur Veränderung der magnetischen Signatur von Schiffen, um sie vor Seeminen zu schützen. Dieses System wird an die Marinen der USA, Kanadas und Großbritanniens verkauft; die Bestellungen liegen bisher bei 75 Millionen US-Dollar.
Insgesamt ist ASMC am besten darin, die Supraleitertechnologie in Nischenanwendungen einzusetzen, die heute realisierbar sind, und ist wahrscheinlich bereit, in Zukunft weitere Fortschritte umzusetzen.
Anleger sollten zudem beachten, dass die Aktie in der Vergangenheit extremen Schwankungen ausgesetzt war und die Risiken entsprechend einschätzen.
Neueste American Supraleiter Corporation (AMSC) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Zitierte Studien:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.Strukturell komplexe Phasentechnik ermöglicht wasserstofftolerante Al-Legierungen. Nature641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
