Computing
Jak nadprzewodzący druk 3D rozwija komputery kwantowe
Securities.io utrzymuje rygorystyczne standardy redakcyjne i może otrzymywać wynagrodzenie z przeglądanych linków. Nie jesteśmy zarejestrowanym doradcą inwestycyjnym i nie jest to porada inwestycyjna. Zapoznaj się z naszymi ujawnienie informacji o stowarzyszeniu.
Produkcja w skali nano: budowanie przyszłości atom po atomie
W miarę jak naukowcy zdobywali coraz większą wiedzę na temat świata materialnego, od naszego procesu produkcyjnego oczekuje się coraz większej precyzji. Od prymitywnego kucia metalu w kuźniach, teraz kontrolujemy pojedyncze atomy, aby tworzyć zaawansowane czujniki, tranzystory itp.
Inną konsekwencją tego rosnącego poziomu kontroli jest możliwość fundamentalnej zmiany właściwości materiału. Obecnie wiemy, jak cienką warstwę krzemu można zmusić do „myślenia”, zamieniając ją w chip komputerowy.
Możliwe są inne zmiany, w szczególności nadanie materiałom naturalnych cech, których nigdy nie miałyby spontanicznie w naturze. Jednym ze sposobów na to jest zmiana ich struktury na poziomie nano.
Naukowcy z Instytutu Maxa Plancka (Niemcy), Instytutu Nowych Technologii Elektronicznych (Niemcy) i Uniwersytetu Wiedeńskiego (Austria) odkryli, że można przekształcić materiał w nadprzewodnik poprzez zmianę jego konfiguracji trójwymiarowej i w ten sposób zbudować złożone nanostruktury.
Ogłosili swoje odkrycie w Advanced Function Material1, pod tytułem "Rekonfigurowalne trójwymiarowe nadprzewodzące nanoarchitektury".
Dlaczego nanostruktury 3D są kluczem do przełamania ograniczeń technologii 2D
Wiele systemów nanoskalowych zaprojektowano jako proste dwuwymiarowe arkusze, co pozwala naukowcom na precyzyjną ich obsługę.
Jednakże rozszerzenie do trzech wymiarów daje szansę na przełamanie podstawowych ograniczeń i osiągnięcie nowych funkcjonalności.
Na przykład ograniczenia w miniaturyzacji półprzewodników sprawiły, że urządzenia dwuwymiarowe nie podlegają już prawu Moore'a. Zamiast tego branża przeszła na technologię CMOS złożoną z trzech wymiarów, co pozwoliło na zwiększenie gęstości i łączności między urządzeniami.
Podobnie w optyce trójwymiarowe metamateriały oferują nową kontrolę nad właściwościami światła, takimi jak szerokopasmowa polaryzacja czy ujemne współczynniki załamania światła – każde z nich ma swój własny, szeroki potencjał zastosowań.
Podobnie jest teraz z przewodnikami i nadprzewodnikami. Opracowano proces przypominający drukarkę 3D nano, dzięki któremu można tworzyć struktury nie na płaskiej powierzchni, ale w 3D.
Efekty kwantowe w trójwymiarowych strukturach nadprzewodzących
Teorie fizyki cząstek kwantowych już przewidziały, że struktury 3D będą zachowywać się zupełnie inaczej niż struktury 2D. Dotyczy to zwłaszcza nadprzewodników, materiałów bez oporu elektrycznego, gdzie struktury 3D miały umożliwiać lokalną kontrolę nad nadprzewodzącymi wirami.
Odkrycie tego typu „wiru magnetycznego” zostało nagrodzone Nagrodą Nobla w dziedzinie fizyki w 2003 r., co stanowiło przełom w wyjaśnieniu, jak działa nadprzewodnictwo.
Źródło: Nagroda Nobla
Strukturyzacja 3D materiałów nadprzewodzących powinna również stworzyć zupełnie nowe zjawiska kwantowe (takie jak „stan węzłowy w nadprzewodzącym pasie Möbiusa„), które naukowcy mogliby następnie wykorzystać do opracowania praktycznych zastosowań.
Jak naukowcy zbudowali nanodrukarkę 3D do nadprzewodników
Naukowcy wykorzystali metodę osadzania skupionej wiązki elektronów w 3D (3D FEBID), znaną metodę budowy trójwymiarowych nanostruktur, która dotychczas nie była stosowana do tworzenia materiałów nadprzewodzących.
Zbudowali strukturę w kształcie piramidy z 4 nanoskopowymi włóknami podtrzymującymi się nawzajem. Jest ona wykonana z nadprzewodzącego węglika wolframu (WC)
Źródło: Zaawansowany materiał funkcyjny
Następnie potwierdzili, że struktura wykazuje ostre przejście nadprzewodzące w temperaturze około 5°K (-268°C / -450°F).
Następnie zmierzyli, że wiry mogą rozprzestrzeniać się wzdłuż struktury w ruchu 3D i prowadzić do dalekosiężnego transferu informacji i napięcia. Struktura 3D kontrolowała również kształt wirów.
Źródło: Zaawansowany materiał funkcyjny
Nadprzewodnictwo rekonfigurowalne z polami magnetycznymi
Zmieniając kierunek pola magnetycznego, można dowolnie włączać i wyłączać właściwości nadprzewodzące, zależnie od kształtu wirów.
Źródło: Zaawansowany materiał funkcyjny
Umożliwiło to stworzenie w pełni nadprzewodzącej (SC) struktury 3D, będącej tylko w połowie nadprzewodzącej lub w pełni o normalnej rezystancji elektrycznej (N).
Źródło: Zaawansowany materiał funkcyjny
Możliwość tworzenia różnych stanów nadprzewodnictwa w obrębie struktury staje się bardziej interesująca, ponieważ te struktury 3D można budować szeregowo i łączyć ze sobą, wykorzystując system zwany Słabe ogniwa Josephsona.
„Odkryliśmy, że możliwe jest włączanie i wyłączanie stanu nadprzewodzącego w różnych częściach trójwymiarowej nanostruktury, po prostu obracając strukturę w polu magnetycznym.
W ten sposób udało nam się stworzyć „rekonfigurowalne” urządzenie nadprzewodzące!”.
Otwiera to drogę do budowy złożonych nadprzewodzących zespołów pojedynczych podzespołów, takich jak nanoskopowe mosty wiszące.
Źródło: Zaawansowany materiał funkcyjny
Jak nadprzewodniki 3D mogą zrewolucjonizować czujniki i układy scalone kwantowe
Choć jest to niezwykle imponujące, na początku może być niejasne, w jaki sposób biegłość w drukowaniu 3D materiałów nadprzewodzących w skali nano może zostać wykorzystana w rzeczywistych zastosowaniach.
Po pierwsze, wiadomo już, że słabe ogniwa Josephsona można wykorzystać do tworzenia ultraczułych czujników pola magnetycznego. Wcześniej taki system musiał być włączony do projektu cienkiej warstwy 2D i wstępnie określony. Dzięki temu rekonfigurowalnemu systemowi nieodłączną zaletą struktury 3D jest to, że można wdrożyć znacznie dokładniejsze i kontrolowane pomiary.
Innym obszarem, który odniesie korzyści, jest przetwarzanie oparte na nadprzewodnikach, w tym energooszczędne neuromorfiki i przetwarzanie kwantowe. Zwiększona łączność i złożoność oferowana przez geometrie 3D powinna pomóc w tworzeniu bardziej złożonych i wydajnych chipów obliczeniowych dla tych systemów.
Ostatecznie mogłoby to stanowić elementy składowe wieloterminalowych połączeń 3D i połączonych tablic rekonfigurowalnych słabych ogniw. Razem powinny one radykalnie zmienić sposób, w jaki można stworzyć komputer kwantowy, wykraczając poza obecne systemy 2D. Powinny być również znacznie bardziej elastyczne, ponieważ sam sprzęt można rekonfigurować.
Inwestowanie w rozwiązania nadprzewodnictwa
American Superconductor Corporation: Inwestowanie w nadprzewodnictwo w świecie rzeczywistym
(AMSC )
AMSC to firma dostarczająca rozwiązania energetyczne dla sieci energetycznych, statków i energii wiatrowej. Ogólnie rzecz biorąc, im bardziej energochłonny lub masywny jest system, tym bardziej wymaga technologii nadprzewodzącej, aby uniknąć przegrzania.
Pomimo swojej nazwy, ASMC dostarcza nie tylko systemy nadprzewodników, ale także np. przekładnie napędowe do turbin wiatrowych.
Na rozwój firmy wpływa wiele czynników, w tym trend elektryfikacji i cyfryzacji (w tym centra danych AI), przenoszenie amerykańskich mocy produkcyjnych z powrotem do kraju oraz konieczność modernizacji marynarek wojennych państw anglosaskich w odpowiedzi na rosnące ryzyko geopolityczne.
W segmencie zasilania AMSC odnotowało stały wzrost zamówień. Było to spowodowane tym, że fabryki półprzewodników chciały być chronione przed wahaniami w sieci energetycznej, pomagając sieci radzić sobie z nieregularnym charakterem odnawialnych źródeł energii oraz zasilaniem i sterowaniem w obiektach przemysłowych.
AMSC działa głównie w segmencie Electrical Control Systems (ECS) w segmencie turbin wiatrowych. Historycznie ESC był silnym segmentem dla firmy z turbinami wiatrowymi o mocy 2 MW, ale stopniowo zanikał. AMSC dąży do odbicia dzięki nowej konstrukcji turbiny o mocy 3 MW, ze szczególnym uwzględnieniem rynku indyjskiego.
Dla okrętów wojennych ASMC dostarcza system „AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure”, który zmienia sygnaturę magnetyczną okrętów, chroniąc je przed minami morskimi. System ten jest sprzedawany marynarkom wojennym USA, Kanady i Wielkiej Brytanii, a wartość zamówień sięga 75 milionów dolarów.
Ogólnie rzecz biorąc, ASMC najlepiej sprawdza się w wykorzystywaniu technologii nadprzewodników w niszowych zastosowaniach, które są dziś wykonalne, a jednocześnie prawdopodobnie będzie gotowy na wdrożenie dalszych udoskonaleń w przyszłości.
Inwestorzy powinni wziąć pod uwagę, że w przeszłości akcje spółki charakteryzowały się dużą zmiennością, dlatego powinni odpowiednio ocenić ryzyko.
Najświeższe Amerykańska korporacja nadprzewodników (AMSC) Wiadomości giełdowe i wydarzenia
Przywoływane badania:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. i in.Strukturalnie złożona inżynieria fazowa umożliwia produkcję stopów Al odpornych na wodór. Natura641, 358 – 364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
