컴퓨팅
초전도 3D 프린팅이 양자 컴퓨팅을 어떻게 발전시키고 있는가
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나노스케일 제조: 원자 단위로 미래를 건설하다
과학자들이 물질 세계에 대한 지식이 점차 확장됨에 따라 제조 공정의 정밀성은 더욱 요구되고 있습니다. 대장간에서 금속을 조잡하게 단조하던 방식에서 벗어나, 이제는 개별 원자를 제어하여 첨단 센서, 트랜지스터 등을 제작하고 있습니다.
이러한 제어 수준 향상의 또 다른 결과는 재료의 특성을 근본적으로 바꿀 수 있는 가능성입니다. 이제 우리는 얇은 실리콘 층을 컴퓨터 칩으로 만들어 "생각하는" 능력을 갖게 하는 방법을 잘 알고 있습니다.
다른 변화도 가능한데, 특히 자연에서는 결코 자연적으로는 가질 수 없는 자연적인 특성을 물질에 부여하는 것이 가능합니다. 이를 위한 한 가지 방법은 나노 수준에서 구조를 변화시키는 것입니다.
막스 플랑크 연구소(독일), 신흥 전자기술연구소(독일), 비엔나 대학(오스트리아)의 과학자들은 물질의 3차원 배열을 바꾸고 복잡한 나노구조를 구축함으로써 물질을 초전도체로 바꿀 수 있다는 것을 발견했습니다.
그들은 Advanced Function Material에서 그들의 발견을 발표했습니다.1, 제목 아래 '재구성 가능한 3차원 초전도 나노 아키텍처".
3D 나노구조가 2D 기술 한계를 깨는 데 중요한 이유
나노스케일 시스템의 상당수는 간단한 2D 시트 형태로 설계되어 과학자들이 정밀하게 조작할 수 있습니다.
그러나 3차원으로 확장하면 근본적인 한계를 극복하고 새로운 기능을 구현할 수 있는 기회가 제공됩니다.
예를 들어, 반도체 미세화의 한계로 인해 2D 소자는 더 이상 무어의 법칙을 따르지 않게 되었습니다. 대신 업계는 더 높은 소자 밀도와 상호연결성을 위해 3D 적층 CMOS로 전환했습니다.
마찬가지로 광학 분야에서 3D 메타물질은 광대역 편광이나 음의 굴절률과 같은 빛의 속성에 대한 새로운 제어를 제공하며, 각각은 폭넓은 잠재적 응용 분야를 가지고 있습니다.
동일한 원리가 도체와 초전도체에도 적용되어, 3D 나노 프린터처럼 공정을 구축하고 평평한 표면이 아닌 3차원에서 구조물을 구축합니다.
3D 초전도 구조의 양자 효과
양자 입자 물리학 이론은 이미 3차원 구조가 2차원 구조와 매우 다르게 거동할 것이라고 예측했습니다. 특히 전기 저항이 없는 초전도체에서 이러한 현상이 두드러지는데, 3차원 구조는 초전도 소용돌이에 대한 국소적인 제어를 가능하게 할 것으로 예상되었습니다.
이러한 유형의 "자기 소용돌이"의 발견은 초전도체의 작동 원리를 설명하는 데 있어 중요한 획기적인 진전으로, 2003년 노벨 물리학상을 수상했습니다.
출처: 노벨상
초전도 물질의 3D 구조화는 또한 완전히 새로운 양자 현상(예: "초전도 뫼비우스 띠의 노드 상태") 연구자들은 이를 활용해 실제 응용 프로그램을 개발할 수 있었습니다.
과학자들이 초전도체용 3D 나노 프린터를 만든 방법
연구진은 3D 집속 전자빔 유도 증착(3D FEBID)을 사용했습니다. 이는 지금까지 초전도 물질에 사용된 적이 없는 3D 나노구조를 만드는 알려진 방법입니다.
그들은 4개의 나노 크기의 필라멘트가 서로를 지지하는 피라미드 모양의 구조물을 만들었습니다. 이 구조물은 초전도 텅스텐 카바이드(WC)로 만들어졌습니다.
출처: 고급 기능 소재
그런 다음 그들은 해당 구조가 약 5°K(-268°C / -450°F)에서 급격한 초전도 전환을 보인다는 것을 확인했습니다.
그 후, 그들은 소용돌이가 구조물을 따라 3차원 운동으로 전파되어 장거리 정보 및 전압 전달을 유도할 수 있음을 측정했습니다. 3차원 구조는 또한 소용돌이의 모양을 제어했습니다.
출처: 고급 기능 소재
자기장을 이용한 재구성 가능한 초전도성
자기장의 방향을 바꾸면 소용돌이의 모양으로 인해 초전도 특성이 본질적으로 마음대로 켜지고 꺼질 수 있습니다.
출처: 고급 기능 소재
이를 통해 완전한 초전도(SC) 3D 구조, 즉 반만 초전도인 구조, 또는 완전히 정상적인 전기 저항(N)을 갖는 구조를 만들 수 있었습니다.
출처: 고급 기능 소재
이러한 3D 구조는 직렬로 구축되고 시스템을 사용하여 서로 연결될 수 있으므로 구조 내에서 다양한 초전도 상태를 생성할 가능성이 더욱 흥미로워집니다. 조셉슨의 약한 링크.
"우리는 3차원 나노구조의 다른 부분에서 초전도 상태를 켜고 끌 수 있다는 것을 발견했습니다. 이는 단순히 자기장에서 구조를 회전시키는 것만으로 가능합니다.
이런 방식으로 우리는 "재구성 가능한" 초전도 소자를 실현할 수 있었습니다!
이를 통해 나노스코픽 현수교와 같은 개별 하위 구성 요소의 복잡한 초전도 조립체를 구축하는 길이 열립니다.
출처: 고급 기능 소재
3D 초전도체가 센서와 양자 칩에 혁명을 일으킬 수 있는 방법
매우 인상적이기는 하지만, 초전도체 소재의 나노스케일 3D 프린팅 기술이 실제 응용 분야에 어떻게 사용될 수 있을지 처음에는 다소 불분명할 수 있습니다.
첫째, 조셉슨 약결합을 이용하여 초고감도 자기장 센서를 제작할 수 있다는 것은 이미 알려져 있습니다. 이전에는 이러한 시스템을 2D 박막 설계에 통합하여 미리 결정해야 했습니다. 이러한 재구성 가능한 시스템을 사용하면 3D 구조가 제공하는 고유한 장점 중 하나는 훨씬 더 정밀하고 제어 가능한 측정을 수행할 수 있다는 것입니다.
또 다른 수혜 분야는 에너지 효율적인 뉴로모픽(neuromorphics)과 양자 컴퓨팅을 포함한 초전도체 기반 컴퓨팅입니다. 3D 기하 구조가 제공하는 향상된 상호 연결성과 복잡성은 이러한 시스템을 위한 더욱 복잡하고 강력한 컴퓨팅 칩 개발에 도움이 될 것입니다.
궁극적으로 이는 다중 단자 3D 접합과 재구성 가능한 약한 링크의 상호 연결된 배열을 구성하는 기본 요소를 형성할 수 있습니다. 이러한 요소들이 결합되면 양자 컴퓨터의 제작 방식이 근본적으로 변화하여 현재의 2D 시스템을 넘어설 것입니다. 또한 하드웨어 자체를 재구성할 수 있기 때문에 훨씬 더 유연해질 것입니다.
초전도 솔루션에 투자
American Superconductor Corporation: 실제 초전도성에 투자
(AMSC )
AMSC는 전력망, 선박 및 풍력 에너지에 대한 에너지 솔루션을 제공하는 회사입니다. 일반적으로 시스템이 전력을 많이 소모하거나 거대할수록 과열을 방지하기 위해 초전도 기술이 더 필요합니다.
이름과 달리 ASMC는 초전도 시스템뿐만 아니라 풍력 터빈용 기어 구동계도 제공합니다.
이 회사는 전기화 및 디지털화(AI 데이터센터 포함) 추세, 미국 제조 역량의 해외 이전, 그리고 지정학적 위험 증가에 대응하여 영국 해군이 현대화해야 할 필요성 등 여러 성장 동력을 얻고 있습니다.
출처: 미국 초전도체 공사
전력 공급 부문에서 AMSC는 꾸준한 주문 증가를 보였습니다. 이는 전력망 변동으로부터 보호받고자 하는 반도체 팹, 재생 에너지의 간헐적 특성에 대처하고 산업 현장에서 전력 공급 및 제어를 담당하려는 노력에서 비롯되었습니다.
출처: 미국 초전도체 공사
AMSC는 풍력 터빈 부문에서 주로 전기 제어 시스템(ECS) 사업을 영위하고 있습니다. 과거 2MW 풍력 터빈을 주력으로 하던 ESC는 꾸준히 성장했지만, 점차 쇠퇴하고 있습니다. AMSC는 새로운 3MW 터빈 설계를 통해 반등을 노리고 있으며, 특히 인도 시장에 집중하고 있습니다.
출처: 미국 초전도체 공사
ASMC는 군함의 경우, "AMSC 고온 초전도 자기 기뢰 대응책"을 제공합니다. 이 시스템은 함선의 자기 신호를 변경하여 기뢰로부터 보호하는 시스템입니다. 이 시스템은 미국, 캐나다, 영국 해군에 판매되었으며, 현재까지 75만 달러 규모의 수주를 기록했습니다.
전반적으로 ASMC는 현재 실행 가능한 틈새 응용 분야에서 초전도체 기술을 가장 잘 활용하는 기업이며, 앞으로도 더 많은 발전을 이룰 준비가 되어 있을 가능성이 높습니다.
투자자는 또한 해당 주식이 과거에 극심한 변동성을 경험했었다는 사실을 염두에 두고 그에 따라 위험을 계산해야 합니다.
최근 소식 미국 초전도체 공사 (AMSC) 주식 뉴스 및 개발
참고 연구:
1. Jiang, S., Xu, Y., Wang, R. et al.구조적으로 복잡한 상 엔지니어링을 통해 수소에 강한 Al 합금이 가능해졌습니다. 자연641, 358-364 (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08879-2
