Investieren in Nobelpreis-Erfolge – Das Potenzial von Lasern

Geschichte des Nobelpreises

Der Nobelpreis ist die prestigeträchtigste Auszeichnung in der Wissenschaftswelt. Er wurde gemäß Alfred Nobels Testament geschaffen, um einen Preis „an diejenigen zu verleihen, die im vergangenen Jahr den größten Nutzen für die Menschheit erbracht haben“ in Physik, Chemie, Physiologie oder Medizin, Literatur und Frieden zu vergeben. Ein sechster Preis wurde später für Wirtschaftswissenschaften von der schwedischen Zentralbank eingeführt. Die Entscheidung, wem der Preis verliehen wird, liegt bei mehreren schwedischen akademischen Institutionen.

Bedenken zum Vermächtnis

Die Entscheidung, den Nobelpreis zu schaffen, kam Alfred Nobel, nachdem er seine eigene Nachruf gelesen hatte, der durch einen Fehler einer französischen Zeitung entstanden war, die den Tod seines Bruders missverstand. Der Artikel mit dem Titel „Der Händler des Todes ist tot“ kritisierte Nobel wegen seiner Erfindung rauchfreier Sprengstoffe, von denen Dynamit das berühmteste war. Seine Erfindungen hatten großen Einfluss auf die Gestaltung der modernen Kriegsführung, und Nobel kaufte ein riesiges Eisen- und Stahlwerk, um es zu einem bedeutenden Rüstungshersteller auszubauen. Da er zunächst Chemiker, Ingenieur und Erfinder war, erkannte Nobel, dass er nicht möchte, dass sein Vermächtnis als das eines Mannes erinnert wird, der durch Krieg und den Tod anderer ein Vermögen gemacht hat.

Nobelpreis

Heutzutage ist Nobels Vermögen in einem Fonds angelegt, der Erträge erwirtschaftet, um die Nobelstiftung sowie die vergoldete grüne Goldmedaille, das Diplom und den Geldpreis von 11 Millionen SEK (etwa 1 Million $) für die Preisträger zu finanzieren.

Oft wird das Nobelpreisgeld unter mehreren Gewinnern aufgeteilt, insbesondere in wissenschaftlichen Bereichen, in denen es üblich ist, dass 2 oder 3 führende Persönlichkeiten gemeinsam oder parallel zu einer bahnbrechenden Entdeckung beitragen. Im Laufe der Jahre wurde der Nobelpreis zum WICHTIGSTEN wissenschaftlichen Preis, der versucht, ein Gleichgewicht zwischen theoretischen und sehr praktischen Entdeckungen zu finden. Er hat Errungenschaften ausgezeichnet, die die Grundlagen der modernen Welt geschaffen haben, wie Radioaktivität, Antibiotika, Röntgenstrahlen, oder PCR, sowie fundamentale Wissenschaften wie die Energiequelle der Sonne, die Elektronenladung, die Atomstruktur, oder die Superfluidität.

Das Potenzial von Lasern

Erfunden im Jahr 1960 wurden Laser fast sofort zu einer Sensation in der physikalischen Forschung. Laser sind kohärente Lichtstrahlen, die einen sehr engen Strahl einer einzigen Wellenlänge erzeugen, der über große Entfernungen nicht zerstreut.

Die Erfindung des Lasers selbst wurde sehr schnell mit einem Nobelpreis ausgezeichnet, 1964 an Townes, Nikolai G. Basow und Alexander M. Prochorow „für grundlegende Arbeiten im Bereich der Quanten‑elektronik, die zum Bau von Oszillatoren und Verstärkern auf Basis des Laser‑Masern‑Prinzips geführt haben“. Dies liegt daran, dass schnell klar wurde, dass Laser ein breites Anwendungsspektrum haben, von der industriellen Produktion bis zur Kommunikation. Allerdings betrachteten andere Wissenschaftler Laser nicht aus diesem Blickwinkel, sondern untersuchten die Technologie weiter. Und sie gewannen 2018 den Nobelpreis für Physik für ihre Entdeckungen. Arthur Ashkin untersuchte, wie ein Laser verwendet werden kann, um mikroskopische Teilchen zu bewegen, nur mit dem „Gewicht“ eines Lichtstrahls. Inzwischen entwickelten Gérard Mourou und Donna Strickland eine Methode, um ultra‑schnelle und ultra‑leistungsstarke Laserpulse zu erzeugen, doch Jahrzehnte später ist nicht abzusehen, wie weit diese Technik die Geschwindigkeit und Leistung von Lasern noch steigern kann.

Schieben mit Licht

Obwohl sie masselos sind, tragen die Photonen, aus denen Licht besteht, eine kleine Energiemenge und damit Impuls. Theoretisch reicht das aus, um Bewegung zu erzeugen, ohne ein Objekt zu berühren. Objekt zu bewegen ist jedoch schwierig, da die induzierte Bewegung sehr klein ist. In der Praxis kann es daher nur im Weltraum (Solarsegel) oder an mikroskopischen Objekten funktionieren. Dies war das Forschungsfeld, das Arthur Ashkin bei den Bell Laboratories bevorzugte. Er begann, mikrometergroße transparente Kugeln zu verwenden und bestätigte, dass sie durch Laser geschoben werden können. Eine überraschende Beobachtung war, dass die Kugeln vom Zentrum des Laserstrahls angezogen wurden, das am stärksten war. Er stellte fest, dass dies daran liegt, dass der Rand des Laserstrahls schwächer ist, wodurch das Teilchen im Zentrum gehalten wird.

Teilchen mit Licht fangen

Dies war der Durchbruch, als Ashkin das Laser in eine Pinzette verwandelte, die Gegenstände nach Belieben greifen und bewegen konnte. Dazu fügte er ein Objektiv zur Anordnung hinzu, das den Laser neu fokussierte, sodass er in einem bestimmten Punkt im Raum konzentriert wurde. An diesem Brennpunkt wird das Teilchen gefangen, da der Strahlungsdruck des Lasers es zurück zum Zentrum zieht.

Bis 1986 war diese Methode, genannt „Einstrahl-Gradientenkraft-Optikfalle“, etabliert und bald unter dem umgangssprachlichen Namen „optische Pinzetten“ bekannt. Sie konnte Teilchen von wenigen Zehn Nanometern bis zu mehreren Zehn Mikrometern einfangen. Die Techniken wurden schnell zu einer wichtigen Methode, einzelne Atome zu fangen, zu manipulieren und zu kühlen.

Lebende Zellen nach Belieben manipulieren

Aber Ashkin konzentrierte sich mehr auf das Potenzial, lebende Dinge wie Viren und Bakterien zu manipulieren. Da der von ihm bisher verwendete grüne Laser zu stark war, wechselte er zu einem Infrarotlaser, der für lebende Organismen viel weniger schädlich war. Diese Methode zeigte schnell, dass sie ganze Viren oder Bakterien bewegen sowie innere Komponenten von Zellen schieben und bewegen kann. Dies führte bald zur Messung des durch ein Bakterien-Flagellum erzeugten Torsionsmoments, der von Mikrotubuli (Teil des Zell‑„Skeletts“) ausgeübten Kraft und zur Manipulation von Unterkomponenten pflanzlicher Zellen.

Weitere Fortschritte in Präzision und Steuerung der Technik würden es ermöglichen, Komponenten so klein wie ein einzelnes DNA‑Basenpaar zu manipulieren, die mechanischen Kräfte von Proteasen (Enzyme, die Proteine abbauen) zu messen und RNA‑Moleküle zu entfalten. Neue Ideen werden in diesem Wissenschaftsbereich noch entwickelt, wie zum Beispiel holographische optische Pinzetten, die Tausende von Pinzetten gleichzeitig nutzen können. Ein ähnliches Konzept, das Schallwellen anstelle von Lasern verwendet (akustische Pinzetten), wird ebenfalls derzeit perfektioniert. Wir haben untersucht, wie es die Chirurgie und Medizin in unserem Artikel „Zielgerichtete Medikamentenabgabe könnte von neuer Technik mit Schallwellen profitieren“ revolutionieren könnte.

Ultraschnelle Laserpulse

Als Laser erstmals erschienen, wurden die ersten Anwendungen mit einem kontinuierlichen Laserstrahl entwickelt. Schnell wurde jedoch klar, dass ein Hochenergie‑Impuls für viele andere Anwendungen, die fast sofortige Leistungsabgabe erfordern, nützlicher sein könnte. Zunächst wurden Verbesserungen mit modusgesperrten Lasern erzielt, einer Methode, die es ermöglicht, Nanojoule‑Impulse auf das Millijoule‑Niveau zu steigern, also eine millionenfache Leistungssteigerung. Allerdings stagnierte dieser Fortschritt in den 1970er‑Jahren, da die steigenden Energien die verwendeten Verstärker beschädigten.

Der einzige Weg, das gefundene Problem zu umgehen, bestand darin, einen Laserstrahl mit größerem Durchmesser zu verwenden. Diese waren jedoch teuer und nur wenigen nationalen Forschungsinstituten zugänglich. Zudem konnten sie nur wenige Schüsse pro Tag abgeben, was die Forschung, die solche Laserpulse benötigte, stark behinderte.

Chirped-Pulse-Amplifikation (CPA) zur Rettung

Es wurde deutlich, dass die Technologie der Laserpulse stagnierte und damit alle anderen Forschungsprogramme, die davon abhingen. Hier gewannen Donna Strickland, eine Doktorandin, und ihr Betreuer Gérard Mourou an der University of Rochester in den USA ihren Teil dieses Nobelpreises. Die zentrale Idee war, den Laserpuls zunächst zu „strecken“, um seine Spitzenleistung zu reduzieren. Das bedeutet, dass er nun verstärkt werden konnte, ohne das Verstärker‑Material zu beschädigen. Anschließend wurde er wieder zu einem kurzen Impuls „komprimiert“, wodurch die Leistung des Pulses weit über das zuvor Mögliche gesteigert wurde. Die Technik wurde Chirped-Pulse-Amplifikation (CPA) genannt. Das Konzept war einfach, aber die Umsetzung nicht. Es dauerte mehrere Jahre, bis die beiden Forscher es tatsächlich bewältigten. Sie nutzten mehr als einen Kilometer optisches Glasfaserkabel und hatten Schwierigkeiten, alle Komponenten zu synchronisieren. Erst 1985 gelang es ihnen, und CPA wurde anschließend verwendet, um immer leistungsstärkere Laserpulse zu erzeugen.

Anwendungen ultraschneller Laserpulse

Beobachtungen in infinitesimalen Zeiträumen

Eine Anwendung ultrakurzer Laserpulse besteht darin, ein Ziel sehr kurz zu „beleuchten“, im Bereich von Femtosekunden, einer Millionstel einer Milliardstel Sekunde. Dadurch wird die Beobachtung von Phänomenen wie molekularen chemischen Reaktionen, die zuvor als sofortig galten, möglich.

Weitere Fortschritte eröffnen sogar ein völlig neues wissenschaftliches Feld, die Attosekunden‑Wissenschaft (1/1000^th einer Femtosekunde). Damit können Wissenschaftler die Elektronendynamik in Atomen untersuchen und Moleküle und Materie in der kondensierten Phase erforschen.

Medizinische Anwendungen

Diese Laser werden auch zur Erzeugung von Laser‑Plasma‑Beschleunigung verwendet, bei der Teilchen wie Protonen und Elektronen auf extrem hohe Energien beschleunigt werden. Diese können für die Strahlentherapie eingesetzt werden, und die Nutzung von Lasern ermöglicht Geräte, die klein genug sind, um in einem Krankenhaus eingesetzt zu werden. Ultraschnelle Laser werden auch für die Augenchirurgie verwendet, von LASIK-Operationen, um die Notwendigkeit von Brillen zu beseitigen, bis hin zur Photokoagulation zur Behandlung der diabetischen Retinopathie (Erkrankungen der Netzhaut).

Materialwissenschaften

Laser können sehr präzise in Materialien einritzen. Das Problem ist jedoch, dass bei zu langer Nutzung des Lasers eine schnelle Erwärmung des Materials entsteht, die schädliche Stoßwellen erzeugt. Femtosekundenlaser führen das Schneiden weiterhin aus, sind jedoch kurz genug, um keine Überhitzung zu verursachen, wodurch dieses Problem beseitigt wird.

Wie bereits erwähnt, ermöglicht dies den Einsatz von Lasern für die Augenchirurgie, Datenlagerung, und die Herstellung chirurgischer Stents, mikrometergroßer Zylinder aus gedehntem Metall, die in die Blutgefäße des Körpers eingesetzt werden, sowie weitere Kanäle.

Investieren in Lasertechnologie

Laser sind in unzähligen Bereichen moderner Technologie präsent, von optischen Discs über chirurgische Werkzeuge, 3D‑Druck, Halbleiter, Fertigung bis hin zu Genomsequenzierern, mit einem Markt von 17,8 Mrd. $, der bis 2030 voraussichtlich um 7,8 % CAGR wachsen wird. Sie können mehr über das Potenzial von Lasern in unserem Artikel „Laser werden in den kommenden Jahrzehnten eine zentrale Rolle spielen, während die Technologie voranschreitet“ lesen, einschließlich zukünftiger neuer Anwendungen, etwa in der Verteidigung, im Gesundheitswesen und in der Kernfusion. Sie können in laserbezogene Unternehmen über viele Broker investieren, und hier auf securities.io finden Sie unsere Empfehlungen für die besten Broker in den USA, Kanada, Australien, Großbritannien, sowie vielen anderen Ländern. Wenn Sie nicht daran interessiert sind, einzelne Unternehmen auszuwählen, können Sie auch Technologie‑ETFs wie iShares U.S. Technology ETF (IYW) oder ProShares Nanotechnology ETF (TINY) in Betracht ziehen, obwohl es keinen speziellen Laser‑ETF gibt, der Ihnen eine diversifiziertere Exposition bietet, um von Laser‑ und Technologiewerten zu profitieren.

Laserunternehmen

1. II-VI Marlow / Coherent

Coherent ist ein großes Industrie‑Konglomerat mit über 26.000 Mitarbeitenden und ein führendes Unternehmen im Bereich Lasertechnologie, das aus der Fusion des fortschrittlichen Materials II‑VI Marlow mit dem Lasermaker Coherent hervorgegangen ist.

Das Unternehmen ist Experte für fortschrittliche Materialien, die in Lasern, Optik und Photonik verwendet werden, wie Indiumphosphid, epitaktische Wafer und Galliumnarsenid. Es wuchs in den letzten zehn Jahren vor allem durch zahlreiche Akquisitionen.

Das Unternehmen erzielt 29 % seiner Einnahmen aus Lasern, der Rest stammt aus zugehöriger Ausrüstung wie optischen Fasern, Elektronik und Instrumentierung.

Die Präsenz des Unternehmens in fortschrittlichen Materialien wie Thermophotovoltaik (über die wir in einem früheren Artikel berichtet haben), Siliziumkarbid, Lasern und Elektronik ermöglicht es, von strukturellen Trends wie dem Wachstum der Präzisionsfertigung, der additiven Fertigung (3D‑Druck), der Elektrifizierung und erneuerbarer Energien zu profitieren. Das Unternehmen hat kürzlich sein Siliziumkarbid‑Geschäft in ein neues Unternehmen ausgegliedert, das zu 75 % von Coherent gehalten wird, während die restlichen Anteile zu gleichen Teilen seinen Partnern Mitsubishi Electric (die Siliziumkarbid‑Leistungspatente einbringen) und Denso (die als Automobilzulieferer im Bereich Elektrifizierung und Leistungshalbleiter tätig sind) gehören.

2. Corning

Corning ist ein Fertigungstechnologieunternehmen und ein Marktführer im Laserbereich, mit Fokus auf drei Kerntechnologien: Glastechnologie, optische Physik (einschließlich Laser) und Keramikwissenschaften.

(COHR )

Mit über 50.000 Mitarbeitenden ist es in vielen Märkten präsent, darunter optische Fasern (es erfand 1970 die erste niederverlustige optische Faser), Präzisionsfertigung, Schad- und Präzisionsgläser, drahtlose Netze und die Emissionskontrolle im Automobilbereich (Keramik für Katalysatoren). Da Laser selbst auf sehr reinen Materialien und präzise gefertigten Gläsern basieren, gibt es zahlreiche Synergien zwischen den verschiedenen von Corning gehaltenen Technologien.

Insgesamt hat das Unternehmen eine lange Geschichte erfolgreicher Innovationen in seiner Kerntechnologie, darunter:

• Hitzebeständiges Glas PIREX.
• LCD‑Glas.
• Antimikrobielles Glas.
• Bildaufnahme‑Technologie für das James‑Webb‑Teleskop.
• Strahlfokussierende Linsen für die Kernfusion.

Es verkauft auch zahlreiche laserbasierte Werkzeuge, wie Schneiden und Polieren von Glas und anderen spröden Materialien.

Fortschrittliche Linsen, Laser und Keramiken werden in allen Arten von High‑Tech‑Anwendungen immer wichtiger, von der Halbleiterfertigung bis zur Lebenswissenschaft.

Das Unternehmen ist in den Bereichen Luft‑ und Raumfahrt, Biotechnologie & Pharma, Elektronik & Display, optische Kommunikation und Automobilwesen präsent und übernimmt technologische Führungspositionen in seinen Nischen.

All diese Sektoren wachsen schnell und werden zunehmend von hochentwickelten Geräten spezialisierter Anbieter abhängig. Daher sollte das Unternehmen stetig weiterwachsen und in seinen zahlreichen Bereichen eine führende Kraft bleiben.