Investering i Nobelprismodtagelser – Lasernes Potentiale

Nobelprisens historie

Nobelprisen er en af verdens mest anerkendte udmærkelser. Den blev oprettet i overensstemmelse med Alfred Nobels testamente for at belønne »dem, der i det foregående år har gjort menneskeheden den største nytte« inden for fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur og fred. Sveriges centralbank oprettede senere økonomiprisen til minde om Nobel. De fleste priser afgøres af svenske institutioner, mens fredsprisen tildeles af Den Norske Nobelkomité.

Arv og eftermæle

En kendt fortælling knytter Nobels beslutning til en fransk avis, der fejlagtigt meldte ham død efter hans brors dødsfald. Hvor stor betydning historien havde for testamentet, er usikkert. Nobel udviklede dynamit og andre sprængstoffer; dynamit er ikke røgsvagt krudt. Han havde også interesser i våbenindustrien, men testamenterede størstedelen af formuen til priser for menneskehedens bedste.

Nobelprisen

Nobelstiftelsen forvalter og investerer formuen for at finansiere priserne. Vinderne modtager en medalje, et diplom og en pengepræmie. I 2024 var beløbet for en hel pris 11 millioner svenske kroner, omtrent én million amerikanske dollar.

Kilde: Britannica

Prispengene deles ofte mellem flere vindere. En videnskabelig nobelpris kan deles mellem op til tre personer, der har bidraget til beslægtede eller parallelle opdagelser.

Gennem årene har Nobelprisen anerkendt både grundforskning og praktiske gennembrud, som har formet den moderne verden, blandt andet radioaktivitet, antibiotika, røntgenstrålereller PCR, samt grundlæggende viden om Solens energikilde, elektronens ladning, atomets struktureller superfluiditet.

Laseres potentiale

Den første fungerende laser blev demonstreret i 1960. Lasere frembringer lys med høj grad af kohærens, og mange giver en smal stråle med lille spredning og et begrænset bølgelængdeområde. Strålen har dog en endelig divergens og båndbredde.

Kilde: Britannica

Grundarbejdet bag laser- og maserteknologien blev belønnet med Nobelprisen i fysik i 1964 til Charles Townes, Nikolaj Basov og Aleksandr Prokhorov  , for kvanteelektronik, som muliggjorde oscillatorer og forstærkere baseret på laser–maser-princippet. Prisen gjaldt ikke alene konstruktionen af den første laser.

Det stod hurtigt klart, at lasere kunne anvendes til alt fra industriel produktion til kommunikation.

Andre forskere udviklede teknologien videre. Nobelprisen i fysik 2018 blev delt mellem to gennembrud inden for laserfysik:

Arthur Ashkin viste, hvordan laserlys kan fastholde og flytte mikroskopiske genstande ved hjælp af lysets impuls. Samtidig udviklede Gérard Mourou og Donna Strickland en metode til at skabe ultrakorte laserpulser med meget høj spidseffekt. Metoden åbner fortsat nye muligheder, men udviklingen har praktiske og fysiske begrænsninger.

Kilde: Nobelstiftelsen

At skubbe med lys

Fotoner har ingen hvilemasse, men bærer energi og impuls. Når lys absorberes, reflekteres eller brydes, kan det overføre impuls og udøve en kraft.

Kraften er normalt meget lille. Den kan dog bruges i solsejl i rummet og til at manipulere mikroskopiske partikler under kontrollerede forhold.

Arthur Ashkin undersøgte dette ved Bell Laboratories. Han anvendte gennemsigtige kugler på mikrometerskala og viste, at laserlys kunne påvirke deres bevægelse.

Han observerede også, at partikler kunne trækkes mod strålens mest intense område. Denne gradientkraft afhænger af samspillet mellem lyset og partiklens optiske egenskaber.

At fange partikler med lys

Ved at fokusere laserstrålen kraftigt med en linse kunne Ashkin afbalancere gradientkraften mod den kraft, der skubber partiklen langs strålen. Dermed kunne en partikel fastholdes nær fokus og flyttes kontrolleret: en optisk pincet.

Kilde: Nobelstiftelsen

I 1986 var fangst med én fokuseret stråle demonstreret. Optiske pincetter kan, afhængigt af materiale og opstilling, manipulere objekter fra nanometer- til mikrometerskala.

Beslægtede metoder med laserlys bruges også til at fange og køle atomer. Laserkøling bygger på andre mekanismer end fastholdelse af gennemsigtige mikropartikler.

Kontrolleret manipulation af levende celler

Ashkin undersøgte også virus, bakterier og celler. Ved at skifte fra grønt til infrarødt lys kunne han reducere skader i bestemte biologiske prøver. Skadevirkningen afhænger dog af bølgelængde, effekt og eksponeringstid. Teknikken gjorde det muligt at flytte mikroorganismer og påvirke strukturer inde i celler.

Metoden åbnede blandt andet for måling af drejningsmoment fra bakteriers flageller, kræfter knyttet til mikrotubuli i cellens skelet og manipulation af komponenter i planteceller.

Kilde: Nobelstiftelsen

Større præcision gjorde det muligt at studere DNA på baseparniveau, måle kræfter fra molekylære maskiner såsom proteaser og undersøge udfoldning af RNA-molekyler.

Der udvikles fortsat nye metoder på området, blandt andet holografiske optiske pincetter, hvor mange fælder kan dannes og styres samtidig.

Et beslægtet koncept bruger lydbølger i stedet for lys: akustiske pincetter. Vi omtaler mulige medicinske anvendelser i artiklen »Målrettet lægemiddellevering kan drage fordel af en ny teknik med lydbølger«.

Ultrakorte laserpulser

Den første laser var pulseret. Senere blev både kontinuerlige lasere og pulslasere videreudviklet. Korte pulser kan give meget høj spidseffekt, fordi energien leveres på kort tid.

En vigtig udvikling var modelåste lasere, som kan skabe meget korte pulser. En stigning fra nanojoule til millijoule er en milliondobling af pulsenergien; ændringen i spidseffekt afhænger også af pulsvarigheden. I 1970’erne blev yderligere forstærkning begrænset af, at den høje intensitet kunne beskadige forstærkermaterialet.

Kilde: Nobelstiftelsen

En løsning var at øge strålens diameter og fordele energien over et større areal. Sådanne anlæg var store og dyre, og mange havde lav repetitionsfrekvens, hvilket begrænsede forsøgene.

Forstærkning af tidsudstrakte pulser: CPA

Donna Strickland og hendes vejleder Gérard Mourou ved University of Rochester udviklede en løsning, der senere gav dem deres andel af Nobelprisen i 2018.

Ved chirped pulse amplification, CPA, strækkes pulsen først i tid, så spidseffekten falder. Derefter forstærkes den og komprimeres igen til en kort puls. Det mindsker risikoen for skader på forstærkeren og muliggør en langt højere spidseffekt.

Metoden krævede præcis kontrol af pulsens frekvenskomponenter. I den første demonstration brugte forskerne over én kilometer optisk fiber. Resultatet blev offentliggjort i 1985, og CPA blev et vigtigt grundlag for kraftige ultrakorte laserpulser.

Kilde: Nobelstiftelsen

Anvendelser af ultrakorte laserpulser

Observation på ekstremt korte tidsskalaer

Ultrakorte pulser kan belyse en prøve på femtosekundskala, altså 10⁻¹⁵ sekund. Det gør det muligt at undersøge hurtige processer, såsom atomkernernes bevægelse under kemiske reaktioner.

Kilde: Nobelstiftelsen

Endnu kortere pulser åbner for attosekundfysik. Et attosekund er en tusindedel af et femtosekund, altså 10⁻¹⁸ sekund. Det gør det muligt at undersøge elektrondynamik i atomer, molekyler og kondenseret stof .

Medicinske anvendelser

Intense pulser kan skabe plasma og accelerere elektroner eller protoner. Metoderne undersøges blandt andet til kompakte acceleratorer og mulige medicinske anvendelser, men laserbaseret partikelterapi var ikke etableret rutinebehandling på hospitaler i 2024.

Femtosekundlasere bruges blandt andet til at danne hornhindeflappen ved visse LASIK-indgreb. En excimerlaser omformer derefter hornhinden. Fotokoagulation ved diabetisk retinopati anvender derimod en tilsigtet varmevirkning og er en anden type behandling.

Kilde: Nobelstiftelsen

Materialvidenskab

Lasere kan bearbejde materialer med stor præcision. Længere pulser kan overføre varme til omgivelserne og give uønskede termiske eller mekaniske skader.

Femtosekundpulser kan reducere den varmepåvirkede zone betydeligt. De fjerner dog ikke automatisk al varmeudvikling eller skade ved enhver proces.

Kilde: Nobelstiftelsen

Sådanne metoder kan bruges ved øjenkirurgi, datalagringog fremstilling af medicinske stenter. En hel stent har normalt millimeterdimensioner, mens enkelte detaljer kan være på mikrometerskala.

Investering i laserteknologi

Lasere bruges blandt andet i optiske diske, kirurgi, 3D-printning, halvlederproduktion, industriel bearbejdning og instrumenter til genomsekventering. En markedsrapport anslog markedet til 17,8 milliarder dollar og forventede en gennemsnitlig årlig vækst på 7,8% frem mod 2030.

Læs mere om mulighederne i artiklen »Lasere kan spille en central rolle i de kommende årtier, efterhånden som teknologien udvikler sig«, som blandt andet omtaler forsvar, sundhed og kernefusion.

Du kan investere i laserrelaterede selskaber gennem forskellige mæglere. På securities.iofinder du vores mæglerguider for USA, Canada, Australien, Storbritannien, og mange andre lande.

For bredere eksponering kan du også undersøge teknologifonde som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller  ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Det er bredere teknologi- eller nanoteknologifonde, ikke rene laserfonde. Beholdninger, omkostninger og risici bør vurderes særskilt.

Laservirksomheder

1. Coherent

Coherent (COHR ) er et stort selskab inden for materialer, netværk og laserteknologi med over 26.000 ansatte i den omtalte periode. II-VI købte Coherent, Inc. i juli 2022 og tog senere navnet Coherent Corp. Marlow var en del af II-VI.

Selskabet leverer avancerede materialer til lasere, optik og fotonik, blandt andet indiumfosfid, epitaksiale wafere og galliumarsenid. Flere opkøb har udvidet virksomheden.

Kilde: Coherent

I investoroversigten fra 2024 stod segmentet Lasers for omtrent 29% af omsætningen. Resten kom fra andre segmenter, blandt andet materialer og netværk. Fordelingen gælder den pågældende periode.

Kilde: Coherent

Virksomhed inden for materialer til blandt andet termofotovoltaik, som vi har omtalt i en tidligere artikel, siliciumkarbid, lasere og elektronik giver eksponering mod præcisionsproduktion, 3D-printning, elektrificering og vedvarende energi.

I 2023 blev investeringer i siliciumkarbidvirksomheden fra Mitsubishi Electric og Denso annonceret. Coherent beholdt 75%, mens partnerne fik 12,5% hver. Hver partner investerede 500 millioner dollar, og samarbejdet kombinerede materialekompetence med industrielle og bilrelaterede anvendelser.

2. Corning

Corning er et materiale- og teknologiselskab med tre centrale kompetenceområder: glasvidenskab, optisk fysik og keramik. Det leverer blandt andet optiske komponenter og teknologi til laserbaserede processer.

Kilde: Corning

Selskabet havde over 50.000 ansatte i den omtalte periode og aktiviteter inden for optiske fibre, præcisionsglas, trådløs kommunikation og keramik til emissionskontrol. Corning demonstrerede optisk fiber med lavt tab i 1970.

Lasere og optiske systemer kræver materialer med høj renhed og præcis bearbejdning, hvilket forbinder flere af Cornings teknologier.

Selskabets innovationshistorie omfatter blandt andet:

• Varmebestandigt PYREX-glas.
• LCD-glas.
• Antimikrobielt glas.
• Optik til James Webb-teleskopets styre- og billedsystemer.
• Strålefokuserende linser til fusionsenergi.

Kilde: Corning

Corning tilbyder også teknologi til laserskæring og bearbejdning af glas og andre sprøde materialer.

Kilde: Corning

Avancerede optiske komponenter og keramiske materialer er vigtige i højteknologiske anvendelser, fra halvlederproduktion til biovidenskab.

Corning betjener blandt andet rumfart, bioteknologi, lægemidler, elektronik, skærme, optisk kommunikation og bilindustrien.

Efterspørgslen efter specialiseret udstyr kan skabe vækstmuligheder, men markederne har forskellige konjunkturer, konkurrenceforhold og investeringsbehov. Teknologisk kompetence garanterer ikke jævn vækst.