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Come la stampa 3D superconduttiva sta avanzando il calcolo quantistico

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Produzione su scala nanometrica: Costruire il futuro atomo per atomo

Man mano che gli scienziati hanno sviluppato una padronanza crescente del mondo materiale, ci si aspetta sempre più precisione dal nostro processo di produzione. Da una grezza forgiatura del metallo nelle fucine, ora controlliamo atomi individuali per creare sensori avanzati, transistor, ecc.

Un’altra conseguenza di questo crescente livello di controllo è la possibilità di alterare fondamentalmente le proprietà di un materiale. Ora conosciamo come uno strato sottile di silicio possa essere fatto “pensare” trasformandolo in un chip di computer.

Altri cambiamenti sono possibili, in particolare conferire ai materiali caratteristiche naturali che non avrebbero mai spontaneamente in natura. Un modo per farlo è modificare la loro struttura a livello nanometrico.

Scienziati del Max Planck Institute (Germania), dell’Institute for Emerging Electronic Technologies (Germania) e dell’Università di Vienna (Austria) hanno scoperto che è possibile trasformare un materiale in un superconduttore modificandone la configurazione 3D, costruendo nanostrutture complesse.

Hanno annunciato la loro scoperta su Advanced Function Material1, con il titolo “Reconfigurable Three-Dimensional Superconducting Nanoarchitectures”.

Perché le nanostrutture 3D sono fondamentali per superare i limiti della tecnologia 2D

Molti sistemi su 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 ottenere nuove funzionalità.

Ad esempio, le limitazioni nella miniaturizzazione dei semiconduttori hanno fatto sì che i dispositivi 2D non seguissero più la legge di Moore. Invece, l’industria è passata a CMOS impilati in 3D per una maggiore densità di dispositivi e interconnettività.

Allo stesso modo, in ottica, i metamateriali 3D offrono un nuovo controllo sulle proprietà della luce, come la polarizzazione a banda larga o indici di rifrazione negativi, ciascuno con ampie potenziali applicazioni.

Lo stesso vale ora per i conduttori e i superconduttori, con la creazione di un processo che funziona come una stampante nano 3D, costruendo strutture non su una superficie piana ma in 3D.

Effetti quantistici nelle strutture superconduttive 3D

Le teorie della fisica delle particelle quantistiche hanno già previsto che le strutture 3D si comporterebbero in modo molto diverso rispetto a quelle 2D. Questo è particolarmente vero per i superconduttori, materiali senza alcuna resistenza elettrica, dove ci si aspettava che le strutture 3D consentissero il controllo locale dei vortici superconduttivi.

La scoperta di questo tipo di “vortice magnetico” è stata premiata con il Nobel per la Fisica nel 2003, rappresentando una svolta fondamentale nella spiegazione del funzionamento della superconduttività.

La strutturazione 3D del materiale superconduttivo dovrebbe anche creare nuovi fenomeni quantistici (come lo “nodal state in a superconducting Möbius strip”) che i ricercatori potrebbero poi utilizzare per sviluppare applicazioni pratiche.

Come gli scienziati hanno costruito una stampante nano 3D per i superconduttori

I ricercatori hanno utilizzato la deposizione indotta da fascio di elettroni focalizzato 3D (3D FEBID), un metodo noto per la costruzione di nanostrutture 3D che finora non era stato impiegato per materiali superconduttori.

Hanno costruito una struttura a forma di piramide con 4 filamenti nanoscopici che si sostengono a vicenda. È realizzata in carburo di tungsteno superconduttivo (W-C).

Successivamente hanno confermato che la struttura presenta una transizione superconduttiva netta intorno a 5 K (-268 °C / -450 °F).

Hanno poi misurato che i vortici possono propagarsi lungo la struttura in un movimento 3D, consentendo un trasferimento a lungo raggio di informazioni e tensione. La struttura 3D controllava anche la forma dei vortici.

Superconduttività riconfigurabile con campi magnetici

Modificando la direzione di un campo magnetico, la caratteristica superconduttiva poteva essere essenzialmente accesa e spenta a piacere, grazie alla forma dei vortici.

Ciò ha permesso la creazione di una struttura 3D completamente superconduttiva (SC), solo parzialmente superconduttiva, o completamente con resistenza elettrica normale (N).

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, usando un sistema chiamato Josephson weak links.

“Abbiamo scoperto che è possibile accendere e spegnere 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”!

Claire Donnelly – Capo gruppo presso il MPI-CPfS

Ciò apre la strada alla costruzione di complessi assemblaggi superconduttivi di sottocomponenti individuali, come ponti sospesi nanoscopici.

Come i superconduttori 3D potrebbero rivoluzionare i sensori e i chip quantistici

Sebbene estremamente impressionante, all’inizio può risultare un po’ poco chiaro come questa padronanza della stampa 3D su scala nanometrica di materiale superconduttivo possa essere utilizzata in applicazioni reali.

Innanzitutto, è già noto che i collegamenti deboli di Josephson possono essere usati per creare sensori di campo magnetico ultra-sensibili. In precedenza, tale sistema doveva essere incorporato nel design del film sottile 2D e predeterminato. Con questo sistema riconfigurabile, un vantaggio intrinseco offerto dalla struttura 3D è che è possibile effettuare misurazioni molto più precise e controllabili.

Un altro settore che può beneficiare è il calcolo basato su superconduttori, inclusi neuromorfici a basso consumo energetico e il calcolo quantistico. L’aumentata interconnettività e complessità offerte dalle geometrie 3D dovrebbero aiutare a creare chip di calcolo più complessi e potenti per questi sistemi.

In definitiva, ciò potrebbe costituire i mattoni fondamentali di giunzioni 3D multi-terminali e array interconnessi di collegamenti deboli riconfigurabili. Insieme, questi dovrebbero cambiare radicalmente il modo in cui può essere realizzato un computer quantistico, superando 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 reale

(AMSC )

AMSC è un’azienda che fornisce soluzioni energetiche per la rete elettrica, le navi e l’energia eolica. In generale, più un sistema è affamato di energia o massiccio, più richiede la tecnologia superconduttiva per evitare il surriscaldamento.

Nonostante il nome, ASMC fornisce non solo sistemi superconduttori ma anche, ad esempio, trasmissioni di ingranaggi per turbine eoliche.

L’azienda sta beneficiando di molteplici fattori di crescita, tra cui la tendenza all’elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center AI), il reshoring delle capacità produttive statunitensi e la necessità delle marine dell’Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.

Nel segmento dell’alimentazione, AMSC ha registrato un costante aumento degli ordini. Questo è stato guidato dalle fabbriche di semiconduttori che cercano protezione dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle energie rinnovabili, e dall’alimentazione e controllo nei siti industriali.

AMSC è principalmente attiva con i sistemi di controllo elettrico (ECS) nel segmento delle turbine eoliche. Storicamente, l’ESC era un segmento forte per l’azienda con turbine da 2 MW, ma è progressivamente diminuito. AMSC punta a una ripresa grazie al nuovo design della turbina da 3 MW, con un’attenzione speciale al mercato indiano.

Per le navi militari, ASMC fornisce il “High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure” di AMSC, un sistema per modificare la firma magnetica delle navi al fine di proteggerle dalle mine marine. Questo è venduto alle marine statunitense, canadese e britannica, con ordini per un valore di 75 milioni di dollari finora.

Nel complesso, ASMC eccelle nello sfruttare la tecnologia superconduttiva in applicazioni di nicchia attualmente fattibili, pur essendo probabilmente pronta a implementare ulteriori progressi in futuro.

Gli investitori dovrebbero anche notare che il titolo ha sperimentato una volatilità estrema in passato e dovrebbero calcolare i rischi di conseguenza.

Ultime American Superconductor Corporation (AMSC) Notizie e sviluppi sul titolo

Studi citati:

1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.Structurally complex phase engineering enables hydrogen-tolerant Al alloys. Nature641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2

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Jonathan è un ex ricercatore di biochimica che ha lavorato nell'analisi genetica e nei trial clinici. Ora è un analista di mercato e scrittore di finanza con un focus su innovazione, cicli di mercato e geopolitica nella sua pubblicazione The Eurasian Century.