Comment l'impression 3D supraconductrice fait progresser l'informatique quantique

Fabrication à l'échelle nanométrique : Construire l'avenir atome par atome

À mesure que les scientifiques maîtrisent de mieux en mieux le monde matériel, nos processus de fabrication doivent être de plus en plus précis. Alors que nous forgeons grossièrement le métal dans des forges, nous contrôlons aujourd'hui des atomes individuels pour former des capteurs avancés, des transistors, etc.

Une autre conséquence de ce niveau de contrôle croissant est la possibilité de modifier fondamentalement les propriétés d'un matériau. Nous savons maintenant comment une fine couche de silicium peut être rendue "pensante" en la transformant en puce informatique.

D'autres modifications sont possibles, notamment pour donner aux matériaux des caractéristiques naturelles qu'ils n'auraient jamais eues spontanément dans la nature. L'un des moyens d'y parvenir est de modifier leur structure à l'échelle nanométrique.

Des scientifiques de l'Institut Max Planck (Allemagne), de l'Institut des technologies électroniques émergentes (Allemagne) et de l'Université de Vienne (Autriche) ont découvert qu'ils pouvaient transformer un matériau en supraconducteur en modifiant sa configuration 3D, en construisant des nanostructures complexes.

Ils ont annoncé leur découverte dans Advanced Function Material¹sous le titre "Nanoarchitectures supraconductrices tridimensionnelles reconfigurables".

Pourquoi les nanostructures 3D sont-elles essentielles pour dépasser les limites de la technologie 2D ?

De nombreux systèmes à l'échelle nanométrique sont conçus comme de simples feuilles 2D, ce qui permet aux scientifiques de les manipuler avec précision.

Cependant, l'extension à trois dimensions offre la possibilité de surmonter des limitations fondamentales et d'obtenir de nouvelles fonctionnalités.

Par exemple, les limites de la miniaturisation des semi-conducteurs ont fait que les dispositifs 2D ne suivent plus la loi de Moore. L'industrie s'est tournée vers les CMOS empilés en 3D pour augmenter la densité des dispositifs et l'interconnectivité.

De même, en optique, les métamatériaux 3D offrent un nouveau contrôle sur les propriétés de la lumière, comme la polarisation à large bande ou les indices de réfraction négatifs, chacun ayant ses propres applications potentielles.

Il en va de même pour les conducteurs et les supraconducteurs, avec la mise au point d'un processus fonctionnant comme une nano-imprimante 3D, qui permet de construire des structures non pas sur une surface plane mais en 3D.

Effets quantiques dans les structures supraconductrices 3D

Les théories de la physique quantique des particules ont déjà prédit que les structures 3D se comporteraient très différemment des structures 2D. C'est particulièrement vrai pour les supraconducteurs, des matériaux dépourvus de toute résistance électrique, pour lesquels les structures 3D devaient permettre un contrôle local des tourbillons supraconducteurs.

La découverte de ce type de "vortex magnétique" a été récompensée par le prix Nobel de physique en 2003, ce qui a constitué une avancée majeure dans l'explication du fonctionnement de la supraconductivité.

Source : Prix Nobel

La structuration en 3D des matériaux supraconducteurs devrait également permettre de créer des phénomènes quantiques entièrement nouveaux (tels que le phénomène "état nodal dans une bande de Möbius supraconductrice") que les chercheurs pourraient ensuite utiliser pour développer des applications pratiques.

Comment des scientifiques ont construit une nano-imprimante 3D pour les supraconducteurs

Les chercheurs ont utilisé le dépôt 3D induit par faisceau d'électrons focalisé (3D FEBID), une méthode connue pour construire des nanostructures 3D qui n'avait pas été utilisée jusqu'à présent pour les matériaux supraconducteurs.

Ils ont construit une structure pyramidale composée de 4 filaments nanoscopiques se soutenant mutuellement. Elle est constituée de carbure de tungstène (W-C) supraconducteur.

Source : Matériau à fonction avancée

Ils ont ensuite confirmé que la structure présente une transition supraconductrice nette à environ 5°K (-268°C / -450°F).

Ils ont ensuite mesuré que les tourbillons peuvent se propager le long de la structure dans un mouvement 3D et conduire à un transfert d'informations et de tension sur une longue distance. La structure 3D contrôlait également la forme des tourbillons.

Source : Matériau à fonction avancée

Supraconductivité reconfigurable avec des champs magnétiques

En changeant la direction d'un champ magnétique, la caractéristique supraconductrice pourrait être essentiellement activée et désactivée à volonté, en raison de la forme des tourbillons.

Source : Matériau à fonction avancée

Cela a permis de créer une structure 3D entièrement supraconductrice (SC), à moitié supraconductrice seulement, ou entièrement avec une résistance électrique normale (N).

Source : Matériau à fonction avancée

La possibilité de créer différents états de supraconductivité au sein de la structure est d'autant plus intéressante que ces structures 3D peuvent être construites en série et reliées entre elles, à l'aide d'un système appelé Liens faibles de Josephson.

"Nous avons découvert qu'il est possible d'activer et de désactiver l'état supraconducteur dans différentes parties de la nanostructure tridimensionnelle, simplement en faisant tourner la structure dans un champ magnétique.

Nous avons ainsi pu réaliser un dispositif supraconducteur "reconfigurable" !

Claire Donnelly - Lise Meitner Chef de groupe au MPI-CPfS

Cela ouvre la voie à la construction d'assemblages supraconducteurs complexes composés de sous-composants individuels, tels que des ponts suspendus nanoscopiques.

Source : Matériau à fonction avancée

Comment les supraconducteurs 3D pourraient révolutionner les capteurs et les puces quantiques

Bien qu'extrêmement impressionnante, la manière dont cette maîtrise de l'impression 3D à l'échelle nanométrique de matériaux supraconducteurs peut être utilisée pour des applications réelles peut sembler un peu floue au premier abord.

Tout d'abord, on sait déjà que les liaisons faibles de Josephson peuvent être utilisées pour créer des capteurs de champ magnétique ultrasensibles. Auparavant, un tel système devait être incorporé dans la conception du film mince 2D et prédéterminé. Avec ce système reconfigurable, un avantage inhérent à la structure 3D est que des mesures beaucoup plus précises et contrôlables peuvent être déployées.

L'informatique basée sur les supraconducteurs, y compris la neuromorphique à haut rendement énergétique et l'informatique quantique, est un autre domaine qui en bénéficiera. L'interconnectivité et la complexité accrues offertes par les géométries 3D devraient permettre de créer des puces informatiques plus complexes et plus puissantes pour ces systèmes.

En fin de compte, cela pourrait constituer les éléments de base de jonctions 3D multiterminales et de réseaux interconnectés de liens faibles reconfigurables. Ensemble, ces éléments devraient changer radicalement la façon dont un ordinateur quantique peut être fabriqué, en dépassant les systèmes 2D actuels. Ils devraient également être beaucoup plus flexibles, puisque le matériel lui-même peut être reconfiguré.

Investir dans des solutions de supraconductivité

American Superconductor Corporation : Investir dans la supraconductivité dans le monde réel

AMSC est une entreprise qui fournit des solutions énergétiques pour le réseau électrique, les navires et l'énergie éolienne. En général, plus un système est gourmand en énergie ou massif, plus il nécessite une technologie supraconductrice pour éviter la surchauffe.

Malgré son nom, ASMC ne fournit pas seulement des systèmes supraconducteurs, mais aussi, par exemple, des trains d'engrenages pour les éoliennes.

L'entreprise bénéficie de multiples moteurs de croissance, notamment la tendance à l'électrification et à la numérisation (y compris les centres de données d'IA), la relocalisation des capacités de fabrication américaines et la nécessité pour les marines de l'anglosphère de se moderniser en réponse à des risques géopolitiques croissants.

Source : American Superconductor Corporation

Dans le segment de l'alimentation électrique, AMSC a enregistré une augmentation constante des commandes. Cette évolution s'explique par le fait que les usines de semi-conducteurs cherchent à se protéger des fluctuations du réseau électrique, à aider le réseau à faire face à la nature intermittente des énergies renouvelables, ainsi qu'à l'alimentation électrique et aux contrôles sur les sites industriels.

Source : American Superconductor Corporation

AMSC est principalement active dans le domaine des systèmes de contrôle électrique (ECS) dans le segment des turbines éoliennes. Historiquement, les systèmes de contrôle électrique ont constitué un segment fort pour l'entreprise avec les turbines éoliennes de 2 MW, mais ce segment a progressivement décliné. AMSC vise un rebond grâce à la nouvelle conception des turbines de 3 MW, en mettant l'accent sur le marché indien.

Source : American Superconductor Corporation

Pour les navires militaires, ASMC fournit la "contre-mesure magnétique supraconductrice à haute température d'AMSC", un système qui modifie la signature magnétique des navires pour les protéger contre les mines marines. Ce système est vendu aux marines américaine, canadienne et britannique, avec des commandes d'une valeur de $75M à ce jour.

Dans l'ensemble, l'ASMC est la mieux placée pour exploiter la technologie des supraconducteurs dans des applications de niche qui sont viables aujourd'hui, tout en étant probablement prête à déployer de nouvelles avancées à l'avenir.

Les investisseurs doivent également noter que le titre a connu une volatilité extrême dans le passé et doivent calculer les risques en conséquence.

Dernières nouvelles American Superconductor Corporation (AMSC) Actualités et développements boursiers

Études référencées :

^{1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.L'ingénierie des phases structurellement complexes permet d'obtenir des alliages d'aluminium tolérants à l'hydrogène. Nature641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}