Как сверхпроводящая 3D-печать продвигает квантовые вычисления

Наномасштабное производство: создание будущего атом за атомом

По мере того, как ученые все больше и больше овладевают материальным миром, от нашего производственного процесса ожидают все большей точности. От грубой ковки металла в кузницах мы теперь контролируем отдельные атомы, чтобы формировать передовые датчики, транзисторы и т. д.

Другим следствием этого возрастающего уровня контроля является возможность фундаментального изменения свойств материала. Теперь мы знаем, как можно заставить «думать» тонкий слой кремния, превратив его в компьютерный чип.

Возможны и другие изменения, в частности, придание материалам естественных характеристик, которые они никогда не имели бы спонтанно в природе. Один из способов сделать это — изменить их структуру на наноуровне.

Ученые из Института Макса Планка (Германия), Института новых электронных технологий (Германия) и Венского университета (Австрия) обнаружили, что они могут превратить материал в сверхпроводник, изменяя его трехмерную конфигурацию и создавая сложные наноструктуры.

Они объявили о своем открытии в Advanced Function Material¹, под заголовком «Реконфигурируемые трехмерные сверхпроводящие наноархитектуры».

Почему 3D-наноструктуры являются ключом к преодолению ограничений 2D-технологий

Многие наносистемы спроектированы как простые двумерные листы, что позволяет ученым точно манипулировать ими.

Однако расширение до трех измерений дает возможность преодолеть фундаментальные ограничения и достичь новых функциональных возможностей.

Например, ограничения в области миниатюризации полупроводников привели к тому, что двумерные устройства больше не подчиняются закону Мура. Вместо этого отрасль перешла на 2D-композицию КМОП, обеспечивающую более высокую плотность компонентов и расширенные возможности межсоединений.

Аналогично в оптике трехмерные метаматериалы предлагают новый контроль над свойствами света, такими как широкополосная поляризация или отрицательные показатели преломления, каждый из которых имеет свои собственные широкие потенциальные области применения.

То же самое теперь происходит с проводниками и сверхпроводниками, поскольку создается процесс, работающий как 3D-нанопринтер, создающий структуры не на плоской поверхности, а в 3D.

Квантовые эффекты в трехмерных сверхпроводящих структурах

Теории квантовой физики частиц уже предсказали, что 3D-структуры будут вести себя совсем иначе, чем 2D-структуры. Это особенно верно для сверхпроводников, материалов без какого-либо электрического сопротивления, где 3D-структуры, как ожидалось, позволят осуществлять локальный контроль над сверхпроводящими вихрями.

Открытие этого типа «магнитного вихря» было отмечено Нобелевской премией по физике в 2003 году, что стало ключевым прорывом в объяснении принципа работы сверхпроводимости.

Источник: Нобелевскую премию

3D-структурирование сверхпроводящего материала также должно привести к появлению совершенно новых квантовых явлений (например, «узловое состояние в сверхпроводящей ленте Мёбиуса«), которые затем исследователи могли бы использовать для разработки практических приложений.

Как ученые построили 3D-нанопринтер для сверхпроводников

Исследователи использовали метод трехмерного осаждения с помощью сфокусированного электронного пучка (3D FEBID) — известный метод создания трехмерных наноструктур, который до сих пор не применялся для сверхпроводящих материалов.

Они построили пирамидальную структуру с 4 наноскопическими нитями, поддерживающими друг друга. Она сделана из сверхпроводящего карбида вольфрама (WC)

Источник: Материал с расширенными функциями

Затем они подтвердили, что структура демонстрирует резкий сверхпроводящий переход при температуре около 5°К (-268°C / -450°F).

Затем они измерили, что вихри могут распространяться вдоль структуры в трехмерном движении и приводить к передаче информации и напряжения на большие расстояния. Трехмерная структура также контролировала форму вихрей.

Источник: Материал с расширенными функциями

Реконфигурируемая сверхпроводимость с помощью магнитных полей

Изменяя направление магнитного поля, можно по сути включать и выключать сверхпроводящие свойства по желанию, благодаря форме вихрей.

Источник: Материал с расширенными функциями

Это позволило создать полностью сверхпроводящую (SC) 3D-структуру, только наполовину сверхпроводящую или полностью с нормальным электрическим сопротивлением (N).

Источник: Материал с расширенными функциями

Возможность создания различных состояний сверхпроводимости внутри структуры становится еще интереснее, поскольку эти трехмерные структуры можно строить последовательно и соединять вместе, используя систему, называемую Слабые звенья Джозефсона.

«Мы обнаружили, что можно включать и выключать сверхпроводящее состояние в различных частях трехмерной наноструктуры, просто вращая структуру в магнитном поле.

Таким образом, нам удалось реализовать «реконфигурируемое» сверхпроводящее устройство!».

Клэр Доннелли – Лизе Мейтнер Руководитель группы в MPI-CPfS

Это открывает путь к созданию сложных сверхпроводящих сборок из отдельных подкомпонентов, таких как наноскопические подвесные мосты.

Источник: Материал с расширенными функциями

Как 3D-сверхпроводники могут произвести революцию в датчиках и квантовых чипах

Несмотря на то, что это чрезвычайно впечатляет, на первый взгляд может быть немного непонятно, как это мастерство наномасштабной 3D-печати сверхпроводящего материала можно использовать в реальных приложениях.

Во-первых, уже известно, что слабые связи Джозефсона могут быть использованы для создания сверхчувствительных датчиков магнитного поля. Ранее такая система должна была быть включена в конструкцию тонкой 2D-пленки и предопределена. С этой реконфигурируемой системой неотъемлемое преимущество, привносимое 3D-структурой, заключается в том, что можно развернуть гораздо более точные и контролируемые измерения.

Еще одна область, которая может принести пользу, — это вычисления на основе сверхпроводников, включая энергоэффективную нейроморфику и квантовые вычисления. Повышенная взаимосвязанность и сложность, предлагаемые трехмерной геометрией, должны помочь создать более сложные и мощные вычислительные чипы для этих систем.

В конечном итоге это может сформировать строительные блоки многотерминальных 3D-соединений и взаимосвязанных массивов реконфигурируемых слабых связей. Вместе они должны радикально изменить способ создания квантового компьютера, выйдя за рамки нынешних 2D-систем. Они также должны быть гораздо более гибкими, поскольку само оборудование может быть реконфигурировано.

Инвестиции в решения в области сверхпроводимости

Американская корпорация сверхпроводников: инвестиции в реальную сверхпроводимость

AMSC — компания, предоставляющая энергетические решения для электросетей, кораблей и ветроэнергетики. В целом, чем более энергоемкой или массивной является система, тем больше ей требуется сверхпроводящих технологий для предотвращения перегрева.

Несмотря на свое название, ASMC поставляет не только сверхпроводниковые системы, но и, например, зубчатые передачи для ветряных турбин.

Компания использует множество факторов роста, включая тенденцию электрификации и цифровизации (включая центры обработки данных на базе искусственного интеллекта), возвращение производственных мощностей в США и необходимость модернизации военно-морских сил англосаксов в ответ на растущие геополитические риски.

Источник: Американская корпорация сверхпроводников

В сегменте электроснабжения AMSC наблюдает устойчивый рост заказов. Это было обусловлено тем, что полупроводниковые фабрики хотели защититься от колебаний электросети, помочь сети справиться с прерывистым характером возобновляемых источников энергии, а также электроснабжением и управлением на промышленных объектах.

Источник: Американская корпорация сверхпроводников

AMSC в основном работает с системами электрического управления (ECS) в сегменте ветровых турбин. Исторически ESC был сильным сегментом для компании с ветровыми турбинами мощностью 2 МВт, но он постепенно сошел на нет. AMSC нацелена на восстановление благодаря новой конструкции турбины мощностью 3 МВт, уделяя особое внимание индийскому рынку.

Источник: Американская корпорация сверхпроводников

Для военных кораблей ASMC поставляет систему противоминной защиты AMSC на основе высокотемпературных сверхпроводников – систему, изменяющую магнитную сигнатуру кораблей для защиты от морских мин. Эта система поставляется ВМС США, Канады и Великобритании, общая сумма заказов на данный момент составляет 75 миллионов долларов.

В целом, ASMC лучше всего справляется с использованием сверхпроводниковой технологии в узкоспециализированных приложениях, которые актуальны сегодня, и, вероятно, готова к внедрению дальнейших достижений в будущем.

Инвесторам также следует учитывать, что в прошлом акции испытывали чрезвычайную волатильность, и соответствующим образом рассчитывать риски.

Актуальные Американская корпорация сверхпроводников (АМСГ) Новости и события на бирже

Ссылки на исследования:

^{1. Цзян С., Сюй Ю., Ван Р. и другиеСложная структурная фазовая инженерия позволяет создавать сплавы алюминия, устойчивые к водороду. Природа641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2}