Computing
Wie supraleitendes 3D‑Drucken die Quantencomputing vorantreibt
Nanoskalare Fertigung: Die Zukunft atomweise aufbauen
Während Wissenschaftler immer mehr Beherrschung der materiellen Welt erlangen, wird von unseren Fertigungsprozessen immer höhere Präzision erwartet. Vom groben Schmieden von Metall in Schmieden steuern wir jetzt einzelne Atome, um fortschrittliche Sensoren, Transistoren usw. zu bilden.
Ein weiterer Effekt dieses zunehmenden Kontrollniveaus ist die Möglichkeit, die Eigenschaften eines Materials grundlegend zu verändern. Wir sind jetzt damit vertraut, wie eine dünne Siliziumschicht durch ihre Umwandlung in einen Computerchip „denken“ kann.
Weitere Änderungen sind möglich, insbesondere indem Materialien natürliche Eigenschaften verliehen werden, die sie in der Natur niemals spontan besitzen würden. Eine Möglichkeit, dies zu erreichen, besteht darin, ihre Struktur auf Nanoskala‑Ebene zu verändern.
Wissenschaftler am Max‑Planck‑Institut (Deutschland), dem Institut für Emerging Electronic Technologies (Deutschland) und der Universität Wien (Österreich) haben herausgefunden, dass sie ein Material durch Änderung seiner 3D‑Konfiguration in einen Supraleiter verwandeln können, indem sie komplexe Nanostrukturen bauen.
Sie kündigten ihre Entdeckung in Advanced Function Material1, unter dem Titel “Umkonfigurierbare dreidimensionale supraleitende Nanoarchitekturen”.
Warum 3D‑Nanostrukturen entscheidend sind, um die Grenzen der 2D‑Technologie zu überwinden
Viele nanoskalige Systeme werden als einfache 2D‑Blätter entworfen, was Wissenschaftlern eine präzise Manipulation ermöglicht.
Die Erweiterung auf drei Dimensionen bietet jedoch die Möglichkeit, grundlegende Beschränkungen zu überwinden und neue Funktionalitäten zu erreichen.
Zum Beispiel haben Beschränkungen bei der Miniaturisierung von Halbleitern dazu geführt, dass 2D‑Geräte dem Mooreschen Gesetz nicht mehr folgen. Stattdessen hat die Branche zu 3D‑gestapeltem CMOS gewechselt, um eine höhere Gerätedichte und Konnektivität zu erreichen.
Ähnlich bieten 3D‑Metamaterialien in der Optik neue Kontrolle über die Eigenschaften von Licht, wie Breitbandpolarisation oder negative Brechungsindizes, jeweils mit breiten Anwendungsmöglichkeiten.
Das Gleiche gilt jetzt für Leiter und Supraleiter, mit dem Aufbau eines Prozesses, der wie ein 3D‑Nanodrucker funktioniert und Strukturen nicht auf einer flachen Oberfläche, sondern in 3D erzeugt.
Quanteffekte in dreidimensionalen supraleitenden Strukturen
Theorien der Quanten‑Teilchenphysik haben bereits vorhergesagt, dass sich 3D‑Strukturen sehr unterschiedlich zu 2D‑Strukturen verhalten würden. Das gilt besonders für Supraleiter, Materialien ohne elektrischen Widerstand, bei denen erwartet wurde, dass 3D‑Strukturen eine lokale Kontrolle über supraleitende Wirbel ermöglichen.
Die Entdeckung dieser Art von „magnetischem Wirbel“ wurde 2003 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet, was ein entscheidender Durchbruch beim Verständnis der Supraleitung war.
Quelle: Nobel Prize
Die 3D‑Strukturierung von supraleitendem Material sollte auch völlig neue Quantenphänomene erzeugen (wie den „nodalen Zustand in einem supraleitenden Möbius‑Streifen“), die Forscher dann zur Entwicklung praktischer Anwendungen nutzen könnten.
Wie Wissenschaftler einen 3D‑Nanodrucker für Supraleiter gebaut haben
Die Forscher nutzten die 3D‑fokussierte, durch Elektronenstrahl induzierte Ablagerung (3D FEBID), ein bekanntes Verfahren zum Bau von 3D‑Nanostrukturen, das 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 (W‑C).
Quelle: Advanced Function Material
Sie bestätigten anschließend, dass die Struktur bei etwa 5 K (-268 °C / -450 °F) einen scharfen supraleitenden Übergang zeigt.
Sie maßen anschließend, dass die Wirbel entlang der Struktur in einer 3D‑Bewegung propagieren können und zu einer langfristigen Übertragung von Informationen und Spannung führen. Die 3D‑Struktur kontrollierte zudem die Form der Wirbel.
Quelle: Advanced Function Material
Umkonfigurierbare Supraleitung mit Magnetfeldern
Durch Ändern der Richtung eines Magnetfelds konnte die supraleitende Eigenschaft im Wesentlichen nach Belieben ein- und ausgeschaltet werden, dank der Form der Wirbel.
Quelle: Advanced Function Material
Dies ermöglichte die Erstellung einer vollständig supraleitenden (SC) 3D‑Struktur, einer halb supraleitenden oder einer vollständig normalen elektrischen Widerstand (N) aufweisenden Struktur.
Quelle: Advanced Function Material
Die Möglichkeit, verschiedene Supraleitungszustände innerhalb der Struktur zu erzeugen, wird interessanter, da diese 3D‑Strukturen in Serie gebaut und miteinander verbunden werden können, wobei ein System namens Josephson‑Schwache Verbindungen verwendet wird.
„Wir haben festgestellt, dass es möglich ist, den supraleitenden Zustand in verschiedenen Teilen der dreidimensionalen Nanostruktur ein- und auszuschalten, einfach durch Drehen der Struktur in einem Magnetfeld.
Auf diese Weise konnten wir ein „umkonfigurierbares“ supraleitendes Gerät realisieren!“
Claire Donnelly – Lise Meitner Gruppenleiterin am MPI‑CPfS
Dies eröffnet den Weg zum Bau komplexer supraleitender Baugruppen aus einzelnen Unterkomponenten, wie nanoskopischen schwebenden Brücken.
Quelle: Advanced Function Material
Wie 3D‑Supraleiter Sensoren und Quantenchips revolutionieren könnten
Obwohl äußerst beeindruckend, ist zunächst nicht ganz klar, wie diese Beherrschung des nanoskaligen 3D‑Drucks von supraleitendem Material für reale Anwendungen genutzt werden kann.
Zunächst ist bereits bekannt, dass die Josephson‑Schwachen Verbindungen zur Herstellung ultra‑sensitiver Magnetfeldsensoren verwendet werden können. Zuvor musste ein solches System in das Design des 2D‑Dünnfilms integriert und vorbestimmt werden. Mit diesem umkonfigurierbaren System bietet die 3D‑Struktur den inhärenten Vorteil, dass viel präzisere und kontrollierbare Messungen eingesetzt werden können.
Ein weiteres Feld, das davon profitiert, ist die supraleiterbasierte Berechnung, einschließlich energieeffizienter Neuromorphik und Quantencomputing. Die durch 3D‑Geometrien ermöglichte höhere Konnektivität und Komplexität sollte helfen, komplexere und leistungsfähigere Rechenschips für diese Systeme zu schaffen.
Letztlich könnte dies die Bausteine für mehrpolige 3D‑Übergänge und vernetzte Arrays umkonfigurierbarer schwacher Verbindungen bilden. Zusammen sollten sie die Art und Weise, wie ein Quantencomputer gebaut wird, radikal verändern und über die aktuellen 2D‑Systeme hinausgehen. Sie sollten zudem deutlich flexibler sein, da die Hardware selbst umkonfiguriert werden kann.
Investitionen in Supraleitungs‑Lösungen
American Superconductor Corporation: Investitionen in reale Supraleitung
(AMSC )
AMSC ist ein Unternehmen, das Energiesysteme für das Stromnetz, Schiffe und Windenergie bereitstellt. Im Allgemeinen gilt: Je energieintensiver oder größer ein System ist, desto mehr benötigt es Supraleitungstechnologie, um Überhitzung zu vermeiden.
Trotz seines Namens liefert ASMC nicht nur Supraleitersysteme, sondern zum Beispiel auch Getriebeantriebe für Windturbinen.
Das Unternehmen profitiert von mehreren Wachstumstreibern, darunter der Trend zur Elektrifizierung und Digitalisierung (einschließlich KI‑Rechenzentren), die Rückverlagerung von US‑Produktionskapazitäten und der Bedarf der Marinen des anglophonen Raums, sich angesichts wachsender geopolitischer Risiken zu modernisieren.
Im Bereich Stromversorgung verzeichnete AMSC einen stetigen Anstieg der Aufträge. Dies wurde durch Halbleiterfabriken getrieben, die sich vor Schwankungen des Stromnetzes schützen wollen, das Netz bei der intermittierenden Natur erneuerbarer Energien zu unterstützen und Stromversorgungs‑ und Steuerungssysteme an Industrieanlagen zu verbessern.
AMSC ist hauptsächlich mit Electrical Control Systems (ECS) im Windturbinensegment aktiv. Historisch war ESC ein starkes Segment für das Unternehmen mit den 2‑MW‑Windturbinen, hat jedoch kontinuierlich abgenommen. AMSC strebt dank des neuen 3‑MW‑Turbinendesigns eine Erholung an, mit besonderem Fokus auf den indischen Markt.
Für Militärschiffe liefert ASMC das „High‑Temperature‑Superconductor‑Magnetische Minenabwehrsystem von AMSC“, ein System zur Veränderung der magnetischen Signatur der Schiffe, um sie vor Seeminen zu schützen. Dieses wird an die Marinen der USA, Kanada und Großbritannien verkauft, bisher im Wert von 75 Mio. $ an Aufträgen.
Insgesamt ist ASMC am besten darin, Supraleitungstechnologie in heute nutzbaren Nischenanwendungen zu nutzen, während das Unternehmen wahrscheinlich bereit ist, weitere Fortschritte in der Zukunft einzusetzen.
Investoren sollten ebenfalls beachten, dass die Aktie in der Vergangenheit extreme Volatilität gezeigt hat und die Risiken entsprechend kalkulieren.
Neueste American Superconductor Corporation (AMSC) Aktiennachrichten und Entwicklungen
Studienreferenzen:
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
