Investering i Nobelprispræstationer – Lasernes Potential

Nobelprisens Historie

Nobelprisen er den mest prestigefyldte pris i den videnskabelige verden. Den blev skabt i henhold til Alfred Nobels testamente for at give en pris “til dem, der i det foregående år har ydet den største gavn for menneskeheden” inden for fysik, kemi, fysiologi eller medicin, litteratur og fred. En sjette pris ville senere blive skabt for økonomiske videnskaber af den svenske centralbank.

Beslutningen om, hvem der skal tildeles prisen, tilhører multiple svenske akademiske institutioner.

Arv og Bekymringer

Beslutningen om at skabe Nobelprisen kom til Alfred Nobel efter, at han havde læst sin egen dødsannonce, efter en fejl af en fransk avis, der misforstod nyheden om hans brors død. Titlen “Døds-handleren er død” hamrede Nobel for hans opfindelse af røgfrie sprængstoffer, hvoraf dynamit var det mest berømte.

Hans opfindelser havde stor indflydelse på moderne krigsførelse, og Nobel købte en massiv jern- og stål-mølle for at omdanne den til en stor våbenfabrikant. Som han først var kemiker, ingeniør og opfinder, indså Nobel, at han ikke ønskede, at hans arv skulle være en mand, der blev husket for at have tjent en formue på krig og andres død.

Nobelprisen

I dag er Nobels formue gemt i en fond, der investeres for at generere indtægt til at finansiere Nobel-stiftelsen og den guldbelagte grønne guldmedalje, diplom og en pengepris på 11 millioner SEK (omkring 1 million USD), der tildeles vinderne.

Kilde: Britannica

Ofte deles Nobelpris-pengene mellem flere vindere, især inden for videnskabelige felter, hvor det er almindeligt, at 2 eller 3 førende skikkelser bidrager sammen eller parallelt til en banebrydende opdagelse.

Over årene blev Nobelprisen til DEN videnskabelige pris, der forsøger at finde en balance mellem teoretiske og meget praktiske opdagelser. Den har belønnet opdagelser, der har lagt grundstenen til den moderne verden, som radioaktivitet, antibiotika, røntgenstråling eller PCR, samt grundlæggende videnskab som solens energikilde, elektronens ladning, atomstruktur eller superfluiditet.

Lasernes Potential

Opfundet i 1960 blev laserstråler en sensation i fysikforskning næsten med det samme. Laserstråler er koherente lysstråler, der skaber en meget smal lysstråle af en enkelt bølgelængde, der ikke spredes over lange afstande.

Kilde: Britannica

Skabelsen af laserstrålen i sig selv ville meget hurtigt blive belønnet med en Nobelpris i 1964 til Townes, Nicolay G. Basov og Aleksandr M. Prokhorov “for grundlæggende arbejde inden for kvantelektronik, der har ført til opbygningen af oscillatorer og forstærkere baseret på laser-maser-princippet”.

Dette skyldes, at det hurtigt blev åbenbart, at laserstråler ville have en lang række af anvendelser, fra industriproduktion til kommunikation.

Men andre videnskabsmænd så ikke på laserstråler fra denne vinkel og studerede i stedet teknologien yderligere. Og ville vinde Nobelprisen i fysik i 2018 for deres opdagelser.

Arthur Ashkin studerede, hvordan en laserstråle kunne bruges til at flytte mikroskopiske genstande, ved kun at bruge “vægten” af en lysstråle. Imens udviklede Gérard Mourou og Donna Strickland en metode til at skabe ultra-hurtige og ultra-kraftige laserpulser, men årtier senere er der ingen ende i sigte på, hvor langt denne teknik kan gå til at øge hastigheden og kraften af laserstråler.

Kilde: Nobelprisen

Skubbing Med Lys

Trods at de er vægtløse, bærer fotonerne, der udgør lys, en lille mængde energi og derfor impuls. I teorien er dette nok til at skabe bevægelse uden at røre en genstand.

At flytte genstande med denne effekt er dog svært, da den fremkaldte bevægelse er meget lille. Så i praksis kan det kun fungere i rummet (solsejl) eller på mikroskopiske genstande.

Dette var det forskningsfelt, der blev foretrukket af Arthur Ashkin ved Bell Laboratories. Han begyndte at bruge mikrometer-store gennemsigtige kugler og bekræftede, at de kunne flyttes af laserstråler.

En overraskende observation var, at kuglerne blev tiltrukket af laserstrålens center, der var det stærkeste. Han ville opdage, at dette skyldes, at laserstrålens kant er svagere, og derfor holder partiklen i laserstrålens center.

Fangning Af Partikler Med Lys

Dette var, da Ashkin havde gennembruddet med at omdanne laserstrålen til “tang” til at gribe og flytte genstande efter ønske. For at gøre dette tilføjede han en linse til installationen, der ville fokusere laserstrålen, så den koncentrerede sig om et bestemt punkt i rummet. Ved dette fokuspunkt blev partiklen fanget, da trykket fra laserlyset holdt den tilbage i centeret.

Kilde: Nobelprisen

Inden 1986 var denne metode kaldet “single-beam gradient force optical trap” etableret, og snart kendt under det mere folkelige navn “optiske tang”. Den kunne fange partikler i størrelsesordenen fra titusinder af nanometer til titusinder af mikrometer.

Teknikken blev hurtigt en vigtig måde at fange, manipulere og afkøle enkeltatomer på.

Manipulation Af Levende Cellers Fysiologi

Men Ashkin var mere fokuseret på dens potentiale i manipulation af levende ting som virus og bakterier. Da den grønne laser, han havde brugt hidtil, var for stærk, skiftede han til en infrarød laser, der var mindre skadelig for levende organismer. Denne metode viste sig hurtigt at kunne flytte hele virus eller bakterier, samt flytte og manipulere indre komponenter af cellerne.

Dette ville snart føre til måling af torsionen skabt af en bakterie-flagellum, kraften udøvet af mikrotubuli (en del af cellens “skelet”) inde i celler, og manipulation af underkomponenter af planteceller.

Kilde: Nobelprisen

Yderligere fremgang i teknikken præcision og kontrol ville føre til, at det blev muligt at manipulere komponenter så små som et enkelt basepar af DNA, måle de mekaniske kræfter af protease (enzymer, der nedbryder proteiner), og foldede RNA-molekyler ud.

Nye ideer bliver stadig udviklet i dette felt af videnskab, såsom holografiske optiske tang, der kan bruge tusinder af tang samtidig.

En lignende koncept, der bruger lydbølger i stedet for laser (akustiske tang), er også i øjeblikket under udvikling. Vi udforskede, hvordan det kunne revolutionere kirurgi og medicin i vores artikel “Targeted Drug Delivery Could Benefit From New Technique Involving Soundwaves”.

Ultra-Hurtige Laserpulser

Da laserstråler kom frem, var de første anvendelser udviklet med en kontinuert laserstråle. Men hurtigt blev det klart, at en højenergi-puls kunne være mere nyttig for mange andre anvendelser, der kræver levering af en stor mængde kraft næsten øjeblikkeligt.

Først blev forbedringer gjort ved at bruge mode-låste lasere, en metode der tillader forstærkning af nanojoule-pulser til millijoule-niveau, en million-fold øgning af kraft. Men denne fremgang stagnation i 1970’erne, da de voksende niveauer af energi skadede forstærkerne, der blev brugt.

Kilde: Nobelprisen

Den eneste måde at gå rundt om problemet, der blev fundet, var at bruge en laserstråle med en større diameter. Men disse var dyre og ville kun være tilgængelige for få nationale forskningsinstitutter. Derudover kunne de kun affyre få skud om dagen, hvilket alvorligt hæmmede forskning, der krævede sådanne laserpulser.

Chirped Pulse Amplification (CPA) Til Undsætning

Det blev klart, at laserpulstechnologien var stagnation, og med den, alle andre forskningsprogrammer, der afhængigt af dem. Dette er, hvor Donna Strickland, en ph.d.-studerende, og hendes vejleder, Gérard Mourou, ved University of Rochester i USA ville vinde deres del af denne Nobelpris.

Den centrale idé var at først “strække” laserpulsen, reducere dens topkraft. Dette betyder, at den kunne nu forstærkes uden at skade forstærkermaterialet. Den ville derefter “gen-komprimeres” tilbage til en kort puls, og kraftigt øge pulskraften ud over, hvad der var muligt før. Tekniken blev kaldt Chirped Pulse Amplification (CPA).

Konceptet var simpelt, men dets implementering var ikke. Det tog flere år for de to forskere at faktisk gøre det. De brugte mere end en kilometer optisk fiber og kæmpede for at synkronisere alle komponenterne. Det var først i 1985, at de ville lykkes, og at CPA ville gå videre til at skabe endnu kraftigere laserpulser.

Kilde: Nobelprisen

Ultra-Hurtige Laserpulsers Anvendelser

Ubetydelige Tidsobservationer

En af anvendelserne af ultra-korte laserpulser er at “belysne” et mål meget kort, i størrelsesordenen femtosekunder, en milliondel af en milliarddel af et sekund. Dette gør det muligt at observere fænomener som molekylære kemiske reaktioner, der tidligere blev set som øjeblikkelige.

Kilde: Nobelprisen

Yderligere fremgang åbner endda et helt nyt videnskabeligt felt, attosekundvidenskab (1/1000-del af en femtosekund). Med det kan videnskabsmænd studere elektron-dynamikken inde i atomer og molekyler, og kondenseret stof kunne undersøges.

Medicinske Anvendelser

Disse laserstråler bruges også til at skabe laser-plasma-acceleration, accelerere partikler som protoner og elektroner til ekstreme energiniveauer. Disse kan bruges til strålebehandling, og brugen af laserstråler tillader maskiner, der er små nok til at passe i et hospital-miljø.

Ultra-hurtige laserstråler bruges også til øjenskirurgi, fra LASIK-kirurgi til at fjerne behovet for briller til fotokoagulation til at behandle diabetisk retinopati (øjensygdomme).

Kilde: Nobelprisen

Materialevidenskab

Laserstråler kan bruges til at udhule materiale meget præcist. Men problemet er, at for langvarig brug af laserstrålen skaber hurtig opvarmning af materialet, hvilket skaber skadelige chokbølger.

Femtosekund-laserstråler udfører stadig udhuling, men er kort nok til ikke at overopvarme, og fjerner dermed dette problem.

Kilde: Nobelprisen

Som vi nævnte, tillader dette brugen af laserstråler til øjenskirurgi, data-lagring og fremstilling af kirurgiske stent, mikrometer-store cylindere af strækket metal, der indsættes i kroppens blodkar og andre kanaler.

Investering I Laser-teknologi

Laserstråler er til stede i utallige dele af moderne teknologi, fra optiske diske til kirurgi-værktøj, 3D-print, halvledere, fremstilling og gen-sekvensering, med en markedsværdi på 17,8 milliarder USD, der forventes at vokse med 7,8% CAGR indtil 2030.

Du kan læse mere om laserens potentiale i vores artikel “Lasers Are Set to Play a Pivotal Role in Coming Decades as Technology Advances”, herunder fremtidige nye anvendelser som i forsvar, sundhed og kernefusion.

Du kan investere i laser-relaterede selskaber gennem mange mæglere, og du kan finde vores anbefalinger for de bedste mæglere i USA, Canada, Australien, Storbritannien samt mange andre lande.

Hvis du ikke er interesseret i at vælge bestemte selskaber, kan du også se på teknologi-ETF’er som iShares U.S. Technology ETF (IYW) eller ProShares Nanotechnology ETF (TINY), selv om der ikke er nogen dedikeret laser-kun ETF tilgængelig, der vil give en mere diversificeret eksponering for at kapitalisere på laser- og teknologi-aktier.

Laser Selskaber

1. II-VI Marlow / Coherent

Coherent er et stort industriforsyningsvirksomhed med 26.000+ ansatte og en leder i laser-teknologi, som resultat af en fusion mellem avanceret materiale II-VI Marlow og laser-producent Coherent.

Selskabet er ekspert i avancerede materialer brugt i laserstråler, optik og fotonik, såsom indium-fosfid, epitaksielle wafer og gallium-arsenid. Det voksede stort takket være mange opkøb i det sidste årti.

Kilde: Coherent

Selskabet får 29% af sin omsætning fra laser, med resten forbundet til tilhørende udstyr som optisk fiber, elektronik og instrumentering.

Kilde: Coherent

Tilstedeværelsen af selskabet i avancerede materialer som termofotovoltaik (som vi diskuterede i en tidligere artikel), siliciumkarbid, laserstråler og elektronik hjælper det med at drage fordel af strukturelle tendenser som væksten i præcisions-fremstilling, additiv fremstilling (3D-print), elektrificering og fornybar energi.

Selskabet har nyligt adskilt sin siliciumkarbid-forretning i en ny enhed, ejet til 75% af Coherent, med resten ejet ligeligt af dens partnere Mitsubishi Electric (der bringer siliciumkarbid-kraft-IP) og Denso (der bringer sin aktivitet som bilindustrisupplier på elektrificering og kraft-halvledere).

2. Corning

Corning er en fremstillings-teknologi-virksomhed og en leder i laser-markeder, med fokus på 3 kerne-teknologier: glasvidenskab, optisk fysik (herunder laserstråler) og keramisk videnskab.

Kilde: Corning

Med 50.000+ ansatte er det til stede i mange markeder, herunder optisk fiber (det opfandt den første lavtabs-optiske fiber i 1970), præcisions-fremstilling, skade- og præcisions-glas, trådløse netværk og bil-emissions-kontrol (keramik til katalytiske konvertere).

Fordi laserstråler selv afhænger af meget rene materialer og præcist udformede glas, er der mange synergier mellem de forskellige teknologier, som Corning besidder.