Informatique
Comment l’impression 3D supraconductrice fait progresser l’informatique quantique
Fabrication à l’échelle nanométrique: Construire le futur atome par atome
As scientists developed an increasing mastery over the material world, more and more precision is expected from our manufacturing process. From crudely forging metal in forges, we are now controlling individual atoms to form advanced sensors, transistors, etc.
À mesure que les scientifiques développent une maîtrise croissante du monde matériel, on attend de plus en plus de précision de nos processus de fabrication. Passant du forgeage grossier du métal dans les forges, nous contrôlons désormais des atomes individuels pour créer des capteurs avancés, des transistors, etc.
Une autre conséquence de ce niveau croissant de contrôle est la possibilité de modifier fondamentalement les propriétés d’un matériau. Nous connaissons désormais comment une fine couche de silicium peut être amenée à « penser » en la transformant en puce informatique.
D’autres changements sont possibles, notamment conférer aux matériaux des caractéristiques naturelles qu’ils ne possèderaient jamais spontanément dans la nature. Une façon d’y parvenir est de modifier leur structure au niveau nanométrique.
Des scientifiques du Max-Planck-Institut (Allemagne), de l’Institute for Emerging Electronic Technologies (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 Material1, sous le titre « Reconfigurable Three-Dimensional Superconducting Nanoarchitectures».
Pourquoi les nanostructures 3D sont essentielles pour dépasser les limites de la technologie 2D
Many nanoscale systems are designed as simple 2D sheets, allowing scientists to manipulate them precisely.
De nombreux systèmes à l’échelle nanométrique sont conçus comme de simples feuilles 2D, permettant aux scientifiques de les manipuler avec précision.
Cependant, l’extension aux trois dimensions offre une opportunité de surmonter les limitations fondamentales et d’obtenir de nouvelles fonctionnalités.
Par exemple, les limites de la miniaturisation des semi-conducteurs ont conduit les dispositifs 2D à ne plus suivre la loi de Moore. Au lieu de cela, l’industrie est passée au CMOS empilé en 3D pour une densité de dispositifs et une interconnectivité plus élevées.
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 avec de vastes applications potentielles.
Il en est de même aujourd’hui pour les conducteurs et les supraconducteurs, grâce à la mise au point d’un procédé fonctionnant comme une imprimante nano 3D, construisant des structures non pas sur une surface plane mais en 3D.
Effets quantiques dans les structures supraconductrices 3D
Quantum particle physics theories have already predicted that 3D structures would behave very differently from 2D ones. This is especially true for superconductors, materials without any electrical resistance, where 3D structures were expected to allow for local control over superconducting vortices.
Les théories de la physique des particules quantiques ont déjà prédit que les structures 3D se comporteraient très différemment des structures 2D. Cela est particulièrement vrai pour les supraconducteurs, des matériaux dépourvus de toute résistance électrique, où l’on s’attendait à ce que les structures 3D permettent un contrôle local des vortex supraconducteurs.
La découverte de ce type de « vortex magnétique » a été récompensée par le Prix Nobel de Physique en 2003, constituant une avancée majeure dans la compréhension du fonctionnement de la supraconductivité.
Source: Nobel Prize
La structuration 3D du matériau supraconducteur devrait également créer de tout nouveaux phénomènes quantiques (comme l’« nodal state in a superconducting Möbius strip ») que les chercheurs pourraient ensuite exploiter pour développer des applications pratiques.
Comment les scientifiques ont construit une nano-imprimante 3D pour les supraconducteurs
The researchers used 3D focused electron beam induced deposition (3D FEBID), a known method for building 3D nanostructures that has not been used for superconducting materials until now.
Les chercheurs ont utilisé le dépôt induit par faisceau d’électrons focalisé en 3D (3D FEBID), une méthode connue pour construire des nanostructures 3D qui n’avait jusqu’à présent jamais été utilisée pour des matériaux supraconducteurs.
Ils ont construit une structure en forme de pyramide avec 4 filaments nanoscopiques se soutenant mutuellement. Elle est composée de carbure de tungstène supraconducteur (W-C).
Source: Advanced Function Material
Ils ont ensuite confirmé que la structure présente une transition supraconductrice nette autour de 5 K (-268 °C / -450 °F).
Ils ont ensuite mesuré que les vortex peuvent se propager le long de la structure en un mouvement 3D, entraînant un transfert d’information et de tension à longue portée. La structure 3D contrôlait également la forme des vortex.
Source: Advanced Function Material
Supraconductivité reconfigurable avec des champs magnétiques
En changeant la direction d’un champ magnétique, la caractéristique supraconductrice pouvait être essentiellement activée ou désactivée à volonté, grâce à la forme des vortex.
Source: Advanced Function Material
Cela a permis de créer une structure 3D entièrement supraconductrice (SC), partiellement supraconductrice, ou entièrement à résistance électrique normale (N).
Source: Advanced Function Material
La possibilité de créer différents états de supraconductivité au sein de la structure devient encore plus intéressante, car ces structures 3D peuvent être construites en série et reliées entre elles, en utilisant un système appelé Josephson weak links.
“Nous avons constaté qu’il est possible d’activer et de désactiver l’état supraconducteur dans différentes parties de la nanostructure tridimensionnelle, simplement en faisant pivoter la structure dans un champ magnétique.
De cette façon, nous avons pu réaliser un dispositif supraconducteur « reconfigurable » !
Cela ouvre la voie à la construction d’assemblages supraconducteurs complexes d’éléments sous‑composants individuels, tels que des ponts suspendus nanoscopiques.
Source: Advanced Function Material
Comment les supraconducteurs 3D pourraient révolutionner les capteurs et les puces quantiques
Bien que cela soit extrêmement impressionnant, il peut d’abord sembler un peu flou comment cette maîtrise de l’impression 3D nanométrique de matériaux supraconducteurs peut être utilisée dans des applications concrètes.
Premièrement, il est déjà connu que les jonctions faibles de Josephson peuvent être utilisées pour créer des capteurs de champ magnétique ultra‑sensibles. Auparavant, un tel système devait être intégré dans la conception du film mince 2D et était prédéterminé. Avec ce système reconfigurable, un avantage inhérent apporté par la structure 3D est que des mesures beaucoup plus précises et contrôlables peuvent être déployées.
Un autre domaine qui en bénéficiera est l’informatique basée sur les supraconducteurs, y compris les neuromorphiques à haute efficacité énergétique et l’informatique quantique. L’interconnectivité et la complexité accrues offertes par les géométries 3D devraient aider à créer des puces informatiques plus complexes et puissantes pour ces systèmes.
En fin de compte, cela pourrait constituer les blocs de construction de jonctions 3D multi‑terminaux et de réseaux interconnectés de jonctions faibles reconfigurables. Ensemble, ils devraient changer radicalement la façon dont un ordinateur quantique peut être construit, en dépassant les systèmes 2D actuels. Ils devraient également être beaucoup plus flexibles, le matériel même pouvant être reconfiguré.
Investir dans les solutions de supraconductivité
American Superconductor Corporation: Investir dans la supraconductivité réelle
(AMSC )
AMSC est une entreprise qui fournit des solutions énergétiques pour le réseau électrique, les navires et l’énergie éolienne. En général, plus un système consomme d’énergie ou est massif, plus il nécessite la technologie supraconductrice pour éviter la surchauffe.
Malgré son nom, ASMC fournit non seulement des systèmes supraconducteurs mais aussi, par exemple, des transmissions d’engrenages pour les éoliennes.
L’entreprise bénéficie de plusieurs moteurs de croissance, notamment la tendance à l’électrification et à la numérisation (y compris les centres de données IA), le rapatriement des capacités de fabrication américaines, et le besoin pour les marines du monde anglophone de se moderniser face aux risques géopolitiques croissants.
Dans le segment de l’alimentation électrique, AMSC a constaté une hausse constante des commandes. Cela a été stimulé par les usines de semi‑conducteurs cherchant à être protégées des fluctuations du réseau, à aider le réseau à gérer la nature intermittente des énergies renouvelables, ainsi que par l’alimentation et le contrôle sur les sites industriels.
AMSC est principalement active avec les systèmes de contrôle électrique (ECS) dans le segment des éoliennes. Historiquement, l’ESC était un segment fort pour l’entreprise avec les éoliennes de 2 MW, mais il a progressivement décliné. AMSC vise un rebond grâce au nouveau design d’éolienne de 3 MW, avec un accent particulier sur le marché indien.
Pour les navires militaires, ASMC fournit le « High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure » d’AMSC, un système visant à modifier la signature magnétique des navires pour les protéger des mines marines. Il est vendu aux marines des États‑Unis, du Canada et du Royaume‑Uni, avec 75 M$ de commandes à ce jour.
Dans l’ensemble, ASMC excelle à exploiter la technologie supraconductrice dans des applications de niche viables aujourd’hui, tout en étant probablement prête à déployer d’autres avancées à l’avenir.
Les investisseurs doivent également noter que l’action a connu une volatilité extrême par le passé, et doivent en calculer les risques en conséquence.
Dernières American Superconductor Corporation (AMSC) Actualités et développements de l’action
Études référencées:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.L’ingénierie de phase structurellement complexe permet des alliages d’Al tolérants à l’hydrogène. Nature641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
