Computing
Come la stampa 3D superconduttiva sta avanzando il calcolo quantistico
Manifattura a scala nanometrica: costruire il futuro atomo per atomo
Mentre gli scienziati sviluppano una maggiore padronanza del mondo materiale, ci si aspetta sempre più precisione dai nostri processi di produzione. Dall’antica forgia del metallo, ora stiamo controllando singoli atomi per formare sensori avanzati, transistor, ecc.
Un’altra conseguenza di questo aumento del livello di controllo è la possibilità di alterare fondamentalmente le proprietà di un materiale. Siamo ora familiari con il modo in cui uno strato sottile di silicio può essere “reso intelligente” trasformandolo in un chip per computer.
Altri cambiamenti sono possibili, in particolare donare ai materiali caratteristiche naturali che non avrebbero mai in natura. Un modo per farlo è cambiando la loro struttura a livello nanometrico.
Gli scienziati dell’Istituto Max Planck (Germania), dell’Istituto per le tecnologie elettroniche emergenti (Germania) e dell’Università di Vienna (Austria) hanno scoperto che possono trasformare un materiale in un superconduttore cambiando la sua configurazione 3D, costruendo nanostrutture complesse.
Hanno annunciato la loro scoperta su Advanced Function Material1, con il titolo “Architetture superconduttive nanostrutturate tridimensionali riconfigurabili”.
Perché le nanostrutture 3D sono fondamentali per superare i limiti della tecnologia 2D
Molti sistemi a scala nanometrica sono progettati come semplici fogli 2D, consentendo agli scienziati di manipolarli con precisione.
Tuttavia, l’estensione a tre dimensioni offre l’opportunità di superare limitazioni fondamentali e raggiungere nuove funzionalità.
Ad esempio, i limiti nella miniaturizzazione dei semiconduttori hanno significato che i dispositivi 2D non seguono più la legge di Moore. Invece, l’industria si è spostata verso CMOS a 3D per una maggiore densità di dispositivi e interconnessione.
Allo stesso modo, nell’ottica, i metamateriali 3D offrono un nuovo controllo sulle proprietà della luce, come la polarizzazione a larga banda o indici di rifrazione negativi, ciascuno con ampie potenziali applicazioni.
Lo stesso vale per i conduttori e i superconduttori, con la costruzione di un processo che funziona come una stampante nano 3D, costruendo strutture non su una superficie piatta ma in 3D.
Effetti quantistici in strutture superconduttive 3D
Le teorie della fisica quantistica delle particelle hanno già previsto che le strutture 3D si comporterebbero in modo molto diverso da quelle 2D. Ciò è particolarmente vero per i superconduttori, materiali senza alcuna resistenza elettrica, dove le strutture 3D si prevede consentano un controllo locale sui vortici superconduttivi.
La scoperta di questo tipo di “vortice magnetico” è stata premiata con il Premio Nobel per la fisica nel 2003, che è stata una scoperta fondamentale per spiegare come funziona la superconduttività.
Source: Nobel Prize
La strutturazione 3D del materiale superconduttivo dovrebbe anche creare interamente nuovi fenomeni quantistici (come lo “stato nodale in una striscia di Möbius superconduttiva”) che i ricercatori potrebbero poi utilizzare per sviluppare applicazioni pratiche.
Come gli scienziati hanno costruito una stampante nano 3D per superconduttori
I ricercatori hanno utilizzato la deposizione indotta da fascio elettronico 3D (3D FEBID), un metodo noto per costruire nanostrutture 3D che non è stato utilizzato per materiali superconduttivi fino ad ora.
Hanno costruito una struttura a forma di piramide con 4 filamenti nanoscopici che si sostengono a vicenda. È realizzato in tungsteno-carburo superconduttivo (W-C)
Source: Advanced Function Material
Hanno quindi confermato che la struttura esibisce una transizione superconduttiva netta intorno ai 5°K (-268°C / -450°F).
Hanno quindi misurato che i vortici possono propagarsi lungo la struttura in un movimento 3D, e portare a un trasferimento di informazioni e voltaggio a lungo raggio. La struttura 3D controlla anche la forma dei vortici.
Source: Advanced Function Material
Superconduttività riconfigurabile con campi magnetici
Cambiando la direzione di un campo magnetico, la caratteristica superconduttiva poteva essere essenzialmente attivata e disattivata a piacimento, a causa della forma dei vortici.
Source: Advanced Function Material
Ciò ha consentito la creazione di una struttura 3D superconduttiva (SC) completa, solo metà superconduttiva, o completamente con resistenza elettrica normale (N).
Source: Advanced Function Material
La possibilità di creare diversi stati di superconduttività all’interno della struttura diventa più interessante poiché queste strutture 3D possono essere costruite in serie e collegate tra loro, utilizzando un sistema chiamato collegamenti deboli di Josephson.
“Abbiamo scoperto che è possibile attivare e disattivare lo stato superconduttivo in diverse parti della nanostruttura tridimensionale, semplicemente ruotando la struttura in un campo magnetico.
In questo modo, siamo stati in grado di realizzare un dispositivo superconduttivo “riconfigurabile”!”.
Ciò apre la strada alla costruzione di assemblaggi superconduttivi complessi di sottocomponenti individuali, come ponti sospesi nanoscopici.
Source: Advanced Function Material
Come i superconduttori 3D potrebbero rivoluzionare i sensori e i chip quantistici
Sebbene sia estremamente impressionante, può essere inizialmente un po’ poco chiaro come questa padronanza della stampa 3D nanometrica del materiale superconduttivo possa essere utilizzata per applicazioni nel mondo reale.
Innanzitutto, è già noto che i collegamenti deboli di Josephson possono essere utilizzati per creare sensori di campi magnetici ultra-sensibili. In precedenza, un tale sistema doveva essere incorporato nel design del film sottile 2D e predeterminato. Con questo sistema riconfigurabile, un vantaggio intrinseco apportato dalla struttura 3D è che può essere utilizzato un sistema di misurazione molto più preciso e controllabile.
Un altro campo che ne trarrà beneficio è l’elaborazione basata su superconduttori, inclusi sistemi neuromorfici efficienti in termini di energia e calcolo quantistico. La maggiore interconnessione e complessità offerte dalle geometrie 3D dovrebbero aiutare a creare chip di calcolo più complessi e potenti per questi sistemi.
Alla fine, ciò potrebbe formare i blocchi costitutivi di giunzioni 3D a più terminali e array interconnessi di collegamenti deboli riconfigurabili. Insieme, questi dovrebbero cambiare radicalmente il modo in cui un computer quantistico può essere realizzato, andando oltre i sistemi 2D attuali. Dovrebbero anche essere molto più flessibili, poiché l’hardware stesso può essere riconfigurato.
Investire in soluzioni di superconduttività
American Superconductor Corporation: investire nella superconduttività nel mondo reale
(AMSC )
AMSC è un’azienda che fornisce soluzioni energetiche per la rete elettrica, navi e energia eolica. In generale, più un sistema è potente o massiccio, più richiede tecnologia superconduttiva per evitare il surriscaldamento.
Nonostante il nome, ASMC fornisce non solo sistemi superconduttivi, ma anche, ad esempio, trasmissioni per turbine eoliche.
L’azienda sta cavalcando più driver di crescita, tra cui la tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi data center per l’intelligenza artificiale), il rimpatrio delle capacità di produzione negli Stati Uniti e la necessità per le marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.
Nel segmento di fornitura di energia, AMSC ha visto un aumento costante degli ordini. Ciò è stato trainato da fabbriche di semiconduttori che cercano di essere protette dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle rinnovabili, e fornitura e controllo in siti industriali.
AMSC è principalmente attiva con sistemi di controllo elettrico (ECS) nel segmento delle turbine eoliche. Storicamente, ECS è stato un segmento forte per l’azienda con le turbine eoliche da 2 MW, ma è progressivamente diminuito. AMSC mira a un rimbalzo grazie al nuovo design della turbina da 3 MW, con un focus speciale sul mercato indiano.
Per le navi militari, ASMC fornisce il “Sistema di contromisura magnetica per mine della AMSC”, un sistema per alterare la firma magnetica delle navi per proteggerle dalle mine marine. Ciò è stato venduto alle marine degli Stati Uniti, del Canada e del Regno Unito, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari.
Nel complesso, ASMC è migliore nell’utilizzo della tecnologia superconduttiva in applicazioni di nicchia che sono fattibili oggi, mentre è probabilmente pronta a schierare ulteriori progressi nel futuro.
Gli investitori dovrebbero anche notare che il titolo ha subito una volatilità estrema nel passato e dovrebbe calcolare i rischi di conseguenza.
Ultimi notizie e sviluppi azionari di American Superconductor Corporation (AMSC)
Studi citati:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.Progettazione della fase complessa della struttura consente l’idrogeno-tolleranza degli alloy di alluminio. Nature641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
