컴퓨팅
초전도성 3D 프린팅이 양자 컴퓨팅을 진전시키는 방법
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나노스케일 제조: 원자 하나하나로 미래를 구축
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.
이러한 제어 수준이 높아짐에 따라 물질의 특성을 근본적으로 바꿀 수 있는 가능성도 생깁니다. 우리는 이제 얇은 실리콘 층을 컴퓨터 칩으로 변환시켜 “생각”하게 만드는 방법을 익혔습니다.
다른 변화도 가능하며, 특히 물질에 자연에서는 절대 스스로 나타나지 않을 특성을 부여할 수 있습니다. 이를 실현하는 한 방법은 나노스케일 수준에서 구조를 변경하는 것입니다.
독일의 막스 플랑크 연구소, 독일의 신흥 전자 기술 연구소, 그리고 오스트리아 비엔나 대학의 과학자들은 물질의 3D 구성을 변경하여 복잡한 나노구조를 구축함으로써 초전도체로 전환할 수 있음을 발견했습니다.
그들은 Advanced Function Material1에 “Reconfigurable Three-Dimensional Superconducting Nanoarchitectures”라는 제목으로 이 발견을 발표했습니다.
왜 3D 나노구조가 2D 기술 한계를 깨는 핵심인가
많은 나노스케일 시스템은 단순한 2D 시트 형태로 설계되어 과학자들이 정밀하게 조작할 수 있습니다.
하지만 3차원으로 확장하면 근본적인 제한을 극복하고 새로운 기능을 구현할 수 있는 기회를 제공합니다.
예를 들어, 반도체 소형화의 한계로 인해 2D 장치는 더 이상 무어의 법칙을 따르지 못합니다. 대신 업계는 더 높은 장치 밀도와 상호 연결성을 위해 3D 적층 CMOS로 전환했습니다.
마찬가지로 광학 분야에서 3D 메타물질은 광의 특성을 새로운 방식으로 제어할 수 있게 하며, 광대역 편광이나 음의 굴절률과 같은 다양한 잠재적 응용 분야를 제공합니다.
전도체와 초전도체에서도 마찬가지로, 평면이 아닌 3차원에서 구조를 구축하는 3D 나노 프린터와 같은 공정이 구축되고 있습니다.
3D 초전도 구조에서의 양자 효과
양자 입자 물리학 이론은 이미 3D 구조가 2D 구조와 매우 다르게 동작할 것이라고 예측했습니다. 이는 전기 저항이 전혀 없는 초전도체와 같은 물질에 특히 해당되며, 3D 구조는 초전도 와류에 대한 국부적 제어를 가능하게 할 것으로 기대되었습니다.
이러한 “자기 와류” 유형의 발견은 2003년 물리학 노벨상을 수상했으며, 이는 초전도 현상을 설명하는 데 중요한 돌파구가 되었습니다.
출처: Nobel Prize
초전도 물질의 3D 구조화는 또한 전적으로 새로운 양자 현상(예: “초전도 모양스트립의 노달 상태”)을 창출할 수 있으며, 연구자들은 이를 실용적인 응용으로 개발할 수 있습니다.
과학자들이 초전도체용 3D 나노프린터를 구축한 방법
연구진은 3D 집속 전자빔 유도 증착(3D FEBID)이라는, 기존에 초전도 물질에 사용되지 않았던 3D 나노구조 구축 방법을 사용했습니다.
그들은 서로를 지지하는 4개의 나노 필라멘트로 구성된 피라미드 형태의 구조를 만들었습니다. 이 구조는 초전도 텅스텐-카바이드(W-C)로 제작되었습니다.
그들은 이어서 이 구조가 약 5 K(-268 °C / -450 °F)에서 급격한 초전도 전이 현상을 보임을 확인했습니다.
그들은 또한 와류가 3D 움직임으로 구조를 따라 전파될 수 있으며, 장거리 정보와 전압 전달을 가능하게 함을 측정했습니다. 3D 구조는 와류의 형태도 제어했습니다.
자기장으로 재구성 가능한 초전도성
자기장의 방향을 바꿈으로써, 와류의 형태에 따라 초전도 특성을 자유롭게 켜고 끌 수 있게 되었습니다.
이를 통해 전체가 초전도(SC)인 3D 구조, 절반만 초전도인 구조, 혹은 완전히 정상 전기 저항(N)을 갖는 구조를 만들 수 있게 되었습니다.
구조 내부에서 다양한 초전도 상태를 생성할 가능성은 이러한 3D 구조를 연속적으로 구축하고 Josephson 약한 연결이라는 시스템으로 연결할 수 있기 때문에 더욱 흥미로워집니다.
“우리는 3차원 나노구조의 서로 다른 부분에서 구조를 자기장 안에서 회전시키는 것만으로 초전도 상태를 켜고 끌 수 있다는 것을 발견했습니다.
이러한 방식으로 우리는 “재구성 가능한” 초전도 장치를 구현할 수 있었습니다!”
이는 나노 규모의 부양 브리지와 같은 개별 하위 구성 요소들의 복잡한 초전도 어셈블리를 구축하는 길을 열어줍니다.
3D 초전도체가 센서와 양자 칩을 혁신할 수 있는 방법
매우 인상적이지만, 초전도 물질의 나노스케일 3D 프린팅 기술이 실제 응용에 어떻게 활용될 수 있는지는 처음에는 다소 명확하지 않을 수 있습니다.
첫째, Josephson 약한 연결이 초고감도 자기장 센서를 만드는 데 사용될 수 있다는 것은 이미 알려져 있습니다. 이전에는 이러한 시스템을 2D 박막 설계에 미리 통합해야 했습니다. 그러나 이 재구성 가능한 시스템은 3D 구조가 제공하는 고유한 장점으로, 훨씬 더 정밀하고 제어 가능한 측정을 구현할 수 있습니다.
또 다른 혜택을 받을 분야는 초전도 기반 컴퓨팅으로, 에너지 효율적인 뉴로모픽 및 양자 컴퓨팅을 포함합니다. 3D 기하학이 제공하는 향상된 상호 연결성과 복잡성은 이러한 시스템을 위한 보다 복잡하고 강력한 컴퓨팅 칩을 만드는 데 도움이 될 것입니다.
궁극적으로 이는 다중 단자 3D 접합 및 재구성 가능한 약한 연결의 상호 연결된 배열의 기본 블록을 형성할 수 있습니다. 이들 기술은 현재의 2D 시스템을 넘어 양자 컴퓨터 제작 방식을 근본적으로 바꿀 것이며, 하드웨어 자체를 재구성할 수 있기 때문에 훨씬 더 유연해질 것입니다.
초전도 솔루션에 투자하기
American Superconductor Corporation: 실제 초전도 분야에 투자하기
AMSC 가격 차트
AMSC는 전력망, 선박 및 풍력 에너지에 대한 에너지 솔루션을 제공하는 기업입니다. 일반적으로 시스템이 전력을 많이 소비하거나 규모가 클수록 과열을 방지하기 위해 초전도 기술이 더 많이 필요합니다.
이름과 달리, ASMC는 초전도 시스템뿐만 아니라 예를 들어 풍력 터빈용 기어 구동계도 제공합니다.
이 회사는 전기화 및 디지털화(AI 데이터 센터 포함) 추세, 미국 제조 역량의 재배치, 그리고 증가하는 지정학적 위험에 대응하기 위한 영연방 해군의 현대화 필요성 등 여러 성장 동력을 타고 있습니다.
출처: American Superconductor Corporation [securities_stock_price_tag symbol="AMSC" exchange="NASDAQ"]
전원 공급 부문에서 AMSC는 주문이 꾸준히 증가하는 추세를 보였습니다. 이는 반도체 팹이 전력망 변동으로부터 보호받고, 재생 에너지의 간헐성을 관리하며, 산업 현장의 전원 공급 및 제어를 지원하려는 요구에 의해 촉진되었습니다.
AMSC는 풍력 터빈 부문에서 전기 제어 시스템(ECS) 분야에 주로 활동하고 있습니다. 과거에는 2MW 풍력 터빈으로 ESC가 강력한 부문이었지만 점차 감소했습니다. AMSC는 새로운 3MW 터빈 설계와 인도 시장에 대한 특별한 집중을 통해 반등을 목표로 하고 있습니다.
군함용으로 ASMC는 “AMSC 고온 초전도 자기 지뢰 방지 시스템”을 제공하는데, 이는 선박의 자기 서명을 변경하여 해저 지뢰로부터 보호합니다. 현재까지 미국, 캐나다, 영국 해군에 약 7,500만 달러 규모의 주문이 이루어졌습니다.
전반적으로 ASMC는 오늘날 실현 가능한 틈새 응용 분야에서 초전도 기술을 활용하는 데 가장 뛰어나며, 향후 추가적인 진보를 적용할 준비가 되어 있습니다.
투자자들은 이 주식이 과거에 극심한 변동성을 보였으며, 이에 따라 위험을 계산해야 함을 유념해야 합니다.
최신 American Superconductor Corporation (AMSC) 주식 뉴스 및 개발
참조 연구:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.구조적으로 복잡한 상(phase) 엔지니어링이 수소 내성을 가진 알루미늄 합금을 가능하게 함. Nature641, 358–364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
