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Come la stampa 3D superconduttiva sta facendo progredire il calcolo quantistico
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Produzione su scala nanometrica: costruire il futuro atomo per atomo
Con l'accresciuta padronanza del mondo materiale da parte degli scienziati, ci si aspetta una precisione sempre maggiore dai nostri processi produttivi. Dalla rozza forgiatura del metallo nelle fucine, ora controlliamo i singoli atomi per realizzare sensori avanzati, transistor, ecc.
Un'altra conseguenza di questo crescente livello di controllo è la possibilità di alterare radicalmente le proprietà di un materiale. Ora sappiamo come un sottile strato di silicio possa essere reso "pensante" trasformandolo in un chip per computer.
Sono possibili altri cambiamenti, in particolare conferendo ai materiali caratteristiche naturali che non avrebbero mai spontaneamente in natura. Un modo per farlo è modificarne la struttura a livello nanometrico.
Gli scienziati del Max Planck Institute (Germania), dell'Institute for Emerging Electronic Technologies (Germania) e dell'Università di Vienna (Austria) hanno scoperto di poter trasformare un materiale in un superconduttore modificandone la configurazione tridimensionale, realizzando così nanostrutture complesse.
Hanno annunciato la loro scoperta in Advanced Function Material1, sotto il titolo “Nanoarchitetture superconduttrici tridimensionali riconfigurabili".
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 di ottenere nuove funzionalità.
Ad esempio, i limiti nella miniaturizzazione dei semiconduttori hanno fatto sì che i dispositivi 2D non seguissero più la legge di Moore. Al contrario, l'industria è passata ai CMOS con stacking 3D per una maggiore densità di dispositivi e interconnettività.
Allo stesso modo, nell'ottica, i metamateriali 3D offrono un nuovo controllo sulle proprietà della luce, come la polarizzazione a banda larga o gli indici di rifrazione negativi, ciascuno con le sue 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, realizzando strutture non su una superficie piana ma in 3D.
Effetti quantistici nelle 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. Questo è particolarmente vero per i superconduttori, materiali privi di resistenza elettrica, dove ci si aspettava che le strutture 3D consentissero un controllo locale sui vortici superconduttori.
La scoperta di questo tipo di "vortice magnetico" è valsa il Premio Nobel per la fisica nel 2003, rappresentando una svolta fondamentale nella spiegazione del funzionamento della superconduttività.
Fonte: Premio Nobel
La strutturazione 3D del materiale superconduttore dovrebbe anche creare fenomeni quantistici completamente nuovi (come il “stato nodale in una striscia di Möbius superconduttrice“) che i ricercatori potrebbero poi utilizzare per sviluppare applicazioni pratiche.
Come gli scienziati hanno costruito una nanostampante 3D per superconduttori
I ricercatori hanno utilizzato la deposizione indotta da fascio di elettroni focalizzati in 3D (3D FEBID), un metodo noto per la creazione di nanostrutture 3D che finora non era stato utilizzato per i materiali superconduttori.
Hanno costruito una struttura piramidale con 4 filamenti nanoscopici che si sostengono a vicenda. È realizzata in carburo di tungsteno (WC) superconduttore.
Hanno poi confermato che la struttura presenta una netta transizione superconduttiva a circa 5°K (-268°C / -450°F).
Hanno poi misurato che i vortici possono propagarsi lungo la struttura con un movimento tridimensionale, generando un trasferimento di informazioni e tensione a lungo raggio. La struttura tridimensionale controllava anche la forma dei vortici.
Superconduttività riconfigurabile con campi magnetici
Modificando la direzione di un campo magnetico, la caratteristica superconduttiva potrebbe essere sostanzialmente attivata o disattivata a piacimento, grazie alla forma dei vortici.
Ciò ha consentito la creazione di una struttura 3D completamente superconduttrice (SC), solo per metà superconduttrice o completamente con normale resistenza elettrica (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, utilizzando un sistema chiamato Punti deboli di Josephson.
"Abbiamo scoperto che è possibile attivare e disattivare lo stato superconduttore in diverse parti della nanostruttura tridimensionale, semplicemente ruotando la struttura in un campo magnetico.
In questo modo siamo riusciti a realizzare un dispositivo superconduttore “riconfigurabile”!
Claire Donnelly - Lise Meitner Responsabile del gruppo presso il MPI-CPfS
Ciò apre la strada alla costruzione di complessi assemblaggi superconduttori di singoli sottocomponenti, come i ponti sospesi nanoscopici.
Come i superconduttori 3D potrebbero rivoluzionare i sensori e i chip quantistici
Sebbene estremamente impressionante, a prima vista può sembrare poco chiaro come questa maestria nella stampa 3D su scala nanometrica di materiali superconduttori possa essere utilizzata per applicazioni nel mondo reale.
In primo luogo, è già noto che i punti deboli Josephson possono essere utilizzati per creare sensori di campo magnetico ultrasensibili. In precedenza, un sistema di questo tipo doveva essere integrato nella progettazione del film sottile 2D e predeterminato. Con questo sistema riconfigurabile, un vantaggio intrinseco offerto dalla struttura 3D è la possibilità di implementare misurazioni molto più precise e controllabili.
Un altro campo che ne trarrà beneficio è il calcolo basato su superconduttori, inclusi i computer neuromorfici a basso consumo energetico e il calcolo quantistico. La maggiore interconnettività e complessità offerte dalle geometrie 3D dovrebbe contribuire alla creazione di chip di calcolo più complessi e potenti per questi sistemi.
In definitiva, questo potrebbe costituire gli elementi costitutivi di giunzioni 3D multiterminali e di matrici interconnesse di collegamenti deboli riconfigurabili. Insieme, questi elementi dovrebbero cambiare radicalmente il modo in cui un computer quantistico può essere realizzato, andando oltre gli attuali sistemi 2D. 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, le navi e l'energia eolica. In generale, più un sistema è affamato di energia o massiccio, più necessita di tecnologia superconduttiva per evitare il surriscaldamento.
Nonostante il nome, l'ASMC non fornisce solo sistemi superconduttori, ma anche, ad esempio, trasmissioni ad ingranaggi per turbine eoliche.
L'azienda è trainata da molteplici fattori di crescita, tra cui la tendenza all'elettrificazione e alla digitalizzazione (inclusi i data center basati sull'intelligenza artificiale), la rilocalizzazione delle capacità produttive statunitensi e la necessità delle marine militari dell'Anglosfera di modernizzarsi in risposta ai crescenti rischi geopolitici.
Nel segmento dell'alimentazione elettrica, AMSC ha visto un aumento costante degli ordini. Ciò è stato guidato dalle fabbriche di semiconduttori che cercavano di essere protette dalle fluttuazioni della rete elettrica, aiutando la rete a gestire la natura intermittente delle energie rinnovabili e l'alimentazione elettrica e i controlli nei siti industriali.
AMSC opera principalmente nel settore dei sistemi di controllo elettrico (ECS) nel segmento delle turbine eoliche. Storicamente, l'ESC è stato un segmento forte per l'azienda con le turbine eoliche da 2 MW, ma ha subito un progressivo declino. AMSC punta a una ripresa grazie al nuovo design della turbina da 3 MW, con particolare attenzione al mercato indiano.
Per le navi militari, l'ASMC fornisce il "AMSC's High Temperature Superconductor Magnetic Mine Countermeasure", un sistema che altera la segnatura magnetica delle navi per proteggerle dalle mine marine. Questo sistema viene venduto alle marine statunitensi, canadesi e britanniche, con ordini per un valore complessivo di 75 milioni di dollari.
Nel complesso, l'ASMC è la migliore azienda a sfruttare la tecnologia dei superconduttori in applicazioni di nicchia che sono già praticabili oggi, pur essendo probabilmente pronta a implementare ulteriori progressi in futuro.
Gli investitori devono inoltre tenere presente che in passato il titolo ha registrato un'estrema volatilità e dovrebbero quindi calcolare i rischi di conseguenza.
Ultimissime Società americana di superconduttori (AMSC) Notizie e sviluppi azionari
Studi citati:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.L'ingegneria di fase strutturalmente complessa consente di realizzare leghe di alluminio tolleranti all'idrogeno. Nature641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
