Επένδυση στα Επιτεύγματα του Βραβείου Νόμπελ – Η Δυνατότητα των Laser

Ιστορία του Βραβείου Νόμπελ

Το Βραβείο Νόμπελ είναι το πιο αξιόλογο βραβείο στον επιστημονικό κόσμο. Δημιουργήθηκε σύμφωνα με τη διαθήκη του κ. Alfred Nobel για να απονέμει ένα βραβείο «σ’ εκείνους που, κατά το προηγούμενο έτος, παρείχαν το μεγαλύτερο όφελος στην ανθρωπότητα» στη φυσική, τη χημεία, τη φυσιολογία ή την ιατρική, τη λογοτεχνία και την ειρήνη. Ένα έκτο βραβείο δημιουργήθηκε αργότερα για τις οικονομικές επιστήμες από την Σουηδική κεντρική τράπεζα. Η απόφαση για το ποιος θα λάβει το βραβείο ανήκει σε πολλούς σουηδικούς ακαδημαϊκούς οργανισμούς.

Ανησυχίες για την Κληρονομιά

Η απόφαση να δημιουργήσει το Βραβείο Νόμπελ ήρθε στον Alfred Nobel αφού διάβασε το νεκρολόγιό του, μετά από ένα λάθος μιας γαλλικής εφημερίδας που παρερμήνευσε τα νέα για το θάνατο του αδερφού του. Με τίτλο «Ο Έμπορος του Θανάτου Πέθανε», το γαλλικό άρθρο κατηγόρησε τον Nobel για την εφεύρεση των αεροαπαγώγιμων εκρηκτικών, από τα οποία η δυναμίτη ήταν η πιο διάσημη. Οι εφευρέσεις του είχαν τεράστια επιρροή στη διαμόρφωση του σύγχρονου πολέμου, και ο Nobel αγόρασε ένα τεράστιο εργοστάσιο σιδήρου και χάλυβα για να το μετατρέψει σε σημαντικό κατασκευαστή όπλων. Καθώς αρχικά ήταν χημικός, μηχανικός και εφευρέτης, ο Nobel συνειδητοποίησε ότι δεν ήθελε η κληρονομιά του να είναι αυτή ενός ανθρώπου που θυμούνται για το κέρδος που απέκτησε από τον πόλεμο και το θάνατο των άλλων.

Βραβείο Νόμπελ

Σήμερα, η περιουσία του Nobel φυλάσσεται σε ένα ταμείο που επενδύεται για να παράγει έσοδα για τη χρηματοδότηση του Ιδρύματος Νόμπελ και του χρυσάφι-επενδυμένου πράσινου μετάλλου, του διπλώματος και του χρηματικού βραβείου των 11 εκατομμυρίων SEK (περίπου 1 εκατομμύριο δολάρια) που απονέμεται στους νικητές.

Συχνά, τα χρήματα του Βραβείου Νόμπελ διαιρούνται μεταξύ πολλών νικητών, ιδιαίτερα σε επιστημονικούς τομείς όπου είναι κοινό για 2 ή 3 κορυφαίες προσωπικότητες να συμβάλλουν μαζί ή παράλληλα σε μια επαναστατική ανακάλυψη. Με τα χρόνια, το Βραβείο Νόμπελ έγινε το ΚΥΡΙΩΣ επιστημονικό βραβείο, προσπαθώντας να βρει ισορροπία μεταξύ θεωρητικών και πολύ πρακτικών ανακαλύψεων. Έχει επιβραβεύσει επιτεύγματα που έθεσαν τα θεμέλια του σύγχρονου κόσμου, όπως η ραδιενέργεια, τα αντιβιοτικά, οι ακτίνες X, ή το PCR, καθώς και θεμελιώδη επιστήμη όπως η πηγή ενέργειας του ήλιου, το φόρτιση του ηλεκτρονίου, η ατομική δομή, ή η υπερρευστότητα.

Η Δυνατότητα των Laser

Ανακαλυφθέντα το 1960, τα laser έγιναν αίσθηση στον κόσμο της φυσικής έρευνας σχεδόν αμέσως. Τα laser είναι συνεκτικές δέσμες φωτός, δημιουργώντας μια πολύ στενή δέσμη φωτός μιας μόνο μήκους κύματος που δεν διασκορπίζεται σε μεγάλες αποστάσεις.

Η δημιουργία του ίδιου του laser θα ανταμειφθεί πολύ γρήγορα με βραβείο Νόμπελ, το 1964 στους Townes, Nicolay G. Basov και Aleksandr M. Prokhorov «για θεμελιώδη εργασία στον τομέα της κβαντικής ηλεκτρονικής, η οποία οδήγησε στην κατασκευή ταλαντωτών και ενισχυτών βασισμένων στην αρχή laser-maser». Αυτό συμβαίνει επειδή έγινε γρήγορα προφανές ότι τα laser θα έχουν μια μεγάλη γκάμα εφαρμογών, από τη βιομηχανική παραγωγή μέχρι τις επικοινωνίες. Ωστόσο, άλλοι επιστήμονες δεν έβλεπαν τα laser από αυτήν την άποψη και αντ’ αυτού μελέτησαν περαιτέρω την τεχνολογία. Και κέρδισαν το Βραβείο Νόμπελ στη Φυσική το 2018 για τις ανακαλύψεις τους. Ο Arthur Ashkin μελέτησε πώς ένα laser θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για τη μετακίνηση μικροσκοπικών αντικειμένων, χρησιμοποιώντας μόνο το «βάρος» μιας δέσμης φωτός. Εν τω μεταξύ, οι Gérard Mourou και Donna Strickland ανέπτυξαν μια μέθοδο για τη δημιουργία υπερ-γρήγορων και υπερ-ισχυρών παλμών laser, αλλά δεκαετίες αργότερα, δεν φαίνεται να υπάρχει όριο στο πόσο μακριά μπορεί αυτή η τεχνική να φτάσει για να ενισχύσει την ταχύτητα και τη δύναμη των laser.

Ωθηση με Φως

Παρά το ότι είναι άβαρα, τα φωτόνια που αποτελούν το φως μεταφέρουν μια μικρή ποσότητα ενέργειας και, επομένως, ορμή. Θεωρητικά, αυτό είναι αρκετό για να δημιουργήσει κίνηση χωρίς να αγγίξει ένα αντικείμενο. Ωστόσο, η μετακίνηση αντικειμένων με αυτό το φαινόμενο είναι δύσκολη, καθώς η προκληθείσα κίνηση είναι πολύ μικρή. Έτσι, στην πράξη, μπορεί να λειτουργήσει μόνο στο διάστημα (ηλιακά πανιά) ή σε μικροσκοπικά αντικείμενα. Αυτός ήταν ο τομέας έρευνας που προτιμούσε ο Arthur Ashkin στο Bell Laboratories. Άρχισε να χρησιμοποιεί διαφανείς σφαίρες μεγέθους μικρομέτρου και επιβεβαίωσε ότι μπορούσαν να ωθηθούν από laser. Μια εκπληκτική παρατήρηση ήταν ότι οι σφαίρες έλκυονταν προς το κέντρο της δέσμης laser, η οποία ήταν η ισχυρότερη. Διαπίστωσε ότι αυτό συμβαίνει επειδή η άκρη της δέσμης laser είναι πιο αδύναμη, κρατώντας έτσι το σωματίδιο στο κέντρο της.

Παγίδευση Σωματιδίων με Φως

Αυτή ήταν η στιγμή που ο Ashkin έκανε τη μεγάλη ανακάλυψη του να μετατρέπει το laser σε πένσες που μπορούσαν να πιάσουν και να μετακινήσουν αντικείμενα κατά βούληση. Για να το πετύχει, πρόσθεσε μια φακό στην εγκατάσταση που θα επανασυγκεντρώνει το laser ώστε να συγκεντρώνεται σε ένα συγκεκριμένο σημείο στο χώρο. Σε αυτό το εστιακό σημείο, το σωματίδιο παγιδεύεται, καθώς η πίεση του φωτός του laser το τραβάει πίσω στο κέντρο.

Μέχρι το 1986, αυτή η μέθοδος που ονομάστηκε «οπτική παγίδα μονοδοντιού με δύναμη κλίσης» εδραιώθηκε και σύντομα έγινε γνωστή με την πιο καθημερινή ονομασία «οπτικές πένσες». Μπορούσε να παγιδεύει σωματίδια από δεκάδες νανόμετρα έως δεκάδες μικρόμετρα. Οι τεχνικές γρήγορα έγιναν ένας κύριος τρόπος για να παγιδεύει, να χειρίζεται και να ψύχει μεμονωμένα άτομα.

Χειρισμός Ζωντανών Κυττάρων Κατά Βούληση

Ωστόσο, ο Ashkin εστίαζε περισσότερο στην δυνατότητα του να χειρίζεται ζωντανά όντα όπως ιούς και βακτήρια. Καθώς το πράσινο laser που είχε χρησιμοποιήσει μέχρι τότε ήταν πολύ ισχυρό, πέρασε σε ένα υπέρυθρο laser που ήταν πολύ λιγότερο επιβλαβές για τα ζωντανά οργανισμούς. Αυτή η μέθοδος αποδείχθηκε γρήγορα ότι μπορούσε να μετακινήσει ολόκληρους ιούς ή βακτήρια, καθώς και να ωθήσει και να μετακινήσει εσωτερικά συστατικά των κυττάρων. Αυτό θα οδηγούσε σύντομα στη μέτρηση της στρέψης που δημιουργείται από τη σημαία ενός βακτηρίου, της δύναμης που ασκείται από τα μικροσωληνάρια (μέρος του «σκελετού» του κυττάρου) μέσα στα κύτταρα, και στον χειρισμό υποσυστατικών των φυτικών κυττάρων.

Περαιτέρω πρόοδος στην ακρίβεια και τον έλεγχο της τεχνικής θα οδηγούσε στη δυνατότητα χειρισμού στοιχείων τόσο μικρών όσο ένα μόνο ζεύγος βάσεων DNA, στη μέτρηση των μηχανικών δυνάμεων της πρωτεάσης (ένζυμο που διασπά πρωτεΐνες) και στην αποδίπλωση μορίων RNA. Νέες ιδέες εξακολουθούν να αναπτύσσονται σε αυτόν τον τομέα της επιστήμης, όπως οι οπτικές πένσες ολογραφικές, που χιλιάδες πένσες μπορούν να χρησιμοποιήσουν ταυτόχρονα. Ένα παρόμοιο concept, που χρησιμοποιεί ηχητικά κύματα αντί για laser (ακουστικές πένσες), επίσης βελτιώνεται αυτή τη στιγμή. Εξερευνήσαμε πώς θα μπορούσε να επαναστατικοποιήσει τη χειρουργική και την ιατρική στο άρθρο μας «Η Στοχευμένη Παράδοση Φαρμάκων Θα Μπορούσε να Ωφεληθεί από Νέα Τεχνική που Συμπεριλαμβάνει Ηχητικά Κύματα».

Υπερ-Γρήγοροι Παλμοί Laser

Όταν εμφανίστηκε το laser, οι πρώτες χρήσεις αναπτύχθηκαν με συνεχή δέσμη laser. Αλλά γρήγορα, έγινε σαφές ότι ένας υψηλής ενέργειας παλμός θα μπορούσε να είναι πιο χρήσιμος για πολλές άλλες εφαρμογές που απαιτούν την άμεση παροχή μεγάλης ισχύος. Αρχικά, έγιναν βελτιώσεις χρησιμοποιώντας laser με κλείδωμα λειτουργίας (mode-locked), μια μέθοδο που επέτρεπε την αύξηση των παλμών από ναντζάουλ σε επίπεδο μιλιτζάουλ, μια αύξηση της ισχύος κατά εκατομμύριο φορές. Ωστόσο, αυτή η πρόοδος σταμάτησε τη δεκαετία του 1970, καθώς τα αυξανόμενα επίπεδα ενέργειας καταστρέφαναν τους ενισχυτές που χρησιμοποιούνταν.

Ο μόνος τρόπος για να παρακαμφθεί το πρόβλημα που βρέθηκε ήταν η χρήση μιας δέσμης laser μεγαλύτερης διαμέτρου. Ωστόσο, αυτές ήταν ακριβές και θα ήταν διαθέσιμες μόνο σε λίγα εθνικά ερευνητικά ινστιτούτα. Επιπλέον, μπορούσαν να εκτοξεύσουν μόνο λίγες βολές την ημέρα, περιορίζοντας σοβαρά την έρευνα που απαιτεί τέτοιους παλμούς laser.

Αντισυμπιεστική Ενίσχυση Παλμού (CPA) Στο Σώμα

Καθόριζε σαφές ότι η τεχνολογία των παλμών laser σταματούσε, και με αυτήν, όλα τα άλλα ερευνητικά προγράμματα που εξαρτώνταν από αυτούς. Εδώ η Donna Strickland, φοιτήτρια διδακτορικού, και ο επιβλέπων της, Gérard Mourou, στο Πανεπιστήμιο Rochester στις ΗΠΑ, κέρδισαν το μέρος τους του Βραβείου Νόμπελ. Η κεντρική ιδέα ήταν πρώτα να «τραβήξει» τον παλμό laser, μειώνοντας την κορυφαία του ισχύ. Αυτό σημαίνει ότι τώρα θα μπορούσε να ενισχυθεί χωρίς να καταστρέψει το υλικό του ενισχυτή. Στη συνέχεια θα «συμπιεστεί ξανά» σε σύντομο παλμό, αυξάνοντας σημαντικά την ισχύ του παλμού πέρα από ό,τι ήταν δυνατό νωρίτερα. Η τεχνική ονομάστηκε Αντισυμπιεστική Ενίσχυση Παλμού (CPA). Η έννοια ήταν απλή, αλλά η υλοποίησή της όχι. Χρειάστηκαν αρκετά χρόνια για να το καταφέρουν οι δύο ερευνητές. Χρησιμοποίησαν πάνω από ένα χιλιόμετρο οπτικού ινώδους και αντιμετώπισαν δυσκολίες στον συγχρονισμό όλων των στοιχείων. Μόνο το 1985 κατάφεραν, και το CPA συνέχισε να χρησιμοποιείται για τη δημιουργία όλο και πιο ισχυρών παλμών laser.

Εφαρμογές Υπερ-Γρήγορων Παλμών Laser

Παρατηρήσεις Απείρου Μικρού Χρόνου

Μία από τις εφαρμογές των υπερ-σύντομων παλμών laser είναι να «φωτίσει» έναν στόχο πολύ σύντομα, με τάξη του φεμτοδευτερολέπτου, ένα εκατομμύριο του δισεκατομμυριοστοστού του δευτερολέπτου. Αυτό καθιστά δυνατή την παρατήρηση φαινομένων όπως χημικές αντιδράσεις μορίων που προηγουμένως θεωρούνταν στιγμιαίες.

Περαιτέρω πρόοδος ανοίγει ακόμη ένα εντελώς νέο επιστημονικό πεδίο, την επιστήμη των αττοδευτερολέπτων (1/1000 του φεμτοδευτερολέπτου). Με αυτήν, οι επιστήμονες μπορούν να μελετήσουν τη δυναμική των ηλεκτρονίων μέσα στα άτομα και τα μόρια, και η ύλη στην συμπυκνωμένη φάση μπορεί να διερευνηθεί.

Ιατρικές Χρήσεις

Αυτά τα laser χρησιμοποιούνται επίσης για τη δημιουργία επιτάχυνσης laser-πλάσματος, επιταχύνοντας σωματίδια όπως πρωτόνια και ηλεκτρόνια σε εξαιρετικά υψηλά επίπεδα ενέργειας. Αυτά μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ακτινοθεραπεία, και η χρήση laser επιτρέπει την κατασκευή μηχανημάτων αρκετά μικρών ώστε να χωρούν σε νοσοκομειακό περιβάλλον. Τα υπερ-γρήγορα laser χρησιμοποιούνται επίσης για χειρουργική των ματιών, από τη χειρουργική LASIK για την κατάργηση της ανάγκης γυαλιών μέχρι τη φωτοσυσσώρευση για τη θεραπεία της διαβητικής αμφιβληστροειδοπάθειας (παθήσεις του αμφιβληστροειδούς).

Επιστήμες Υλικών

Τα laser μπορούν να χρησιμοποιηθούν για ακριβή χάραξη υλικών. Ωστόσο, το πρόβλημα είναι ότι η παρατεταμένη χρήση του laser προκαλεί γρήγορη θέρμανση του υλικού, η οποία δημιουργεί επιβλαβείς κυματισμούς. Τα femtosecond laser εξακολουθούν να εκτελούν τη χάραξη, αλλά είναι αρκετά σύντομα ώστε να μην υπερθερμαίνουν, εξαλείφοντας αυτό το πρόβλημα.

Όπως αναφέραμε, αυτό επιτρέπει τη χρήση laser για χειρουργική των ματιών, αποθήκευση δεδομένων, και κατασκευή χειρουργικών στεντών, κυλίνδρων μικρομέτρου από τεντωμένο μέταλλο που εισάγονται στα αιμοφόρα αγγεία του σώματος, και άλλα κανάλια.

Επένδυση στην Τεχνολογία Laser

Τα laser είναι παρόντα σε αμέτρητα μέρη της σύγχρονης τεχνολογίας, από οπτικούς δίσκους μέχρι εργαλεία χειρουργικής, 3D εκτύπωση, ημιαγωγούς, κατασκευή και αλληλουχίες γονιδιώματος, με μια αγορά αξίας 17,8 δισεκατομμυρίων δολαρίων που αναμένεται να αυξηθεί κατά 7,8% CAGR μέχρι το 2030. Μπορείτε να διαβάσετε περισσότερα για τις δυνατότητες των laser στο άρθρο μας «Τα Laser Έχουν να Παίξουν Καθοριστικό Ρόλο στις Επόμενες Δεκαετίες καθώς η Τεχνολογία Προοδεύει», συμπεριλαμβανομένων μελλοντικών νέων χρήσεων, όπως στην άμυνα, την υγεία και τη πυρηνική σύντηξη. Μπορείτε να επενδύσετε σε εταιρείες σχετικές με laser μέσω πολλών χρηματιστών, και μπορείτε να βρείτε εδώ, στο securities.io, τις προτάσεις μας για τους καλύτερους χρηματιστές στις ΗΠΑ, τον Καναδά, την Αυστραλία, το Ηνωμένο Βασίλειο, καθώς και σε πολλές άλλες χώρες. Αν δεν ενδιαφέρεστε να επιλέξετε συγκεκριμένες εταιρείες, μπορείτε επίσης να εξετάσετε τεχνολογικά ETFs όπως το iShares U.S. Technology ETF (IYW) ή το ProShares Nanotechnology ETF (TINY), ακόμη και αν δεν υπάρχει διαθέσιμο ειδικό laser-only ETF, το οποίο θα προσφέρει πιο διαφοροποιημένη έκθεση για να εκμεταλλευτείτε τις μετοχές laser & τεχνολογίας.

Εταιρείες Laser

1. II-VI Marlow / Coherent

Η Coherent είναι ένα μεγάλο βιομηχανικό συγκρότημα με πάνω από 26.000 υπαλλήλους και ηγέτης στην τεχνολογία laser, προερχόμενο από τη συγχώνευση του προχωρημένου υλικού II-VI (COHR ) Marlow με τον κατασκευαστή laser Coherent.

Η εταιρεία είναι ειδική στα προχωρημένα υλικά που χρησιμοποιούνται σε laser, οπτικά και φωτονικά, όπως η ινδίου φωσφορική, οι επαφικές δίσκοι και το γαλλικό αρασενικό. Αναπτύχθηκε σημαντικά χάρη σε πολλαπλές εξαγορές την τελευταία δεκαετία.

Η εταιρεία προέρχεται το 29% των εσόδων της από laser, ενώ το υπόλοιπο συνδέεται με συναφή εξοπλισμό όπως οπτικές ίνες, ηλεκτρονικά και οργανοληπτικά.

Η παρουσία της εταιρείας σε προχωρημένα υλικά όπως η θερμοφωτοβολταϊκή (που συζητήσαμε σε προηγούμενο άρθρο), το πυρίτιο καρβίδιο, τα laser και τα ηλεκτρονικά την βοηθά να επωφεληθεί από δομικές τάσεις όπως η ανάπτυξη της ακριβούς κατασκευής, η προσθετική κατασκευή (3D printing), η ηλεκτροποίηση και οι ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Η εταιρεία πρόσφατα διαχώρισε την επιχείρηση πυριτίου καρβιδίου σε νέα οντότητα, με 75% ιδιοκτησία από τη Coherent, ενώ το υπόλοιπο κατέχεται εξίσου από τους εταίρους της Mitsubishi Electric (που προσφέρει IP ισχύος πυριτίου καρβιδίου) και Denso (που φέρνει τη δραστηριότητά του ως προμηθευτής αυτοκινήτων στην ηλεκτροποίηση και τα ημιαγωγικά ισχύος).

2. Corning

Η Corning είναι μια εταιρεία τεχνολογίας κατασκευής και ηγέτης στις αγορές laser, με έμφαση σε 3 βασικές τεχνολογίες: επιστήμες υαλού, οπτική φυσική (συμπεριλαμβανομένων των laser) και κεραμικές επιστήμες.

Με πάνω από 50.000 υπαλλήλους, είναι παρούσα σε πολλές αγορές, συμπεριλαμβανομένων των οπτικών ινών (εφηύρε την πρώτη χαμηλής απώλειας οπτική ίνα το 1970), ακριβούς κατασκευής, ανθεκτικών και ακριβών γυαλιών, ασύρματων δικτύων και ελέγχου εκπομπών αυτοκινήτων (κεραμικό για καταλυτικούς μετατροπείς).

Επειδή τα ίδια τα laser εξαρτώνται από πολύ καθαρά υλικά και ακριβώς κατασκευασμένα γυαλιά, υπάρχουν πολλές συνέργειες μεταξύ των διαφορετικών τεχνολογιών που κατέχει η Corning.

Συνολικά, η εταιρεία έχει μακρά ιστορία επιτυχημένων καινοτομιών στην κύρια τεχνολογία της, συμπεριλαμβανομένων:

• Θερμοανθεκτικό γυαλί PIREX.
• Γυαλί LCD.
• Αντιμικροβιακό γυαλί.
• Τεχνολογία λήψης εικόνας για το τηλεσκόπιο James Webb.
• Φακοί εστίασης δέσμης για πυρηνική σύντηξη.

Πωλεί επίσης πολλά εργαλεία βασισμένα σε laser, όπως κοπή και γυάλισμα γυαλιού και άλλων εύθραυστων υλικών.

Τα προχωρημένα φακοί, laser και κεραμικά γίνονται ολοένα και πιο σημαντικά σε όλα τα είδη των υψηλής τεχνολογίας εφαρμογών, από την κατασκευή ημιαγωγών μέχρι τις βιοεπιστήμες.

Η εταιρεία έχει παρουσία στην αεροδιαστημική, τη βιοτεχνολογία & φαρμακευτική, τα ηλεκτρονικά & οθόνες, την οπτική επικοινωνία και την αυτοκινητοβιομηχανία, καθώς και ηγετική τεχνολογική θέση στα εξειδικευμένα πεδία της.

Όλοι αυτοί οι τομείς αναπτύσσονται γρήγορα και εξαρτώνται όλο και περισσότερο από εξοπλισμό υψηλής τεχνολογίας που παρέχεται από εξειδικευμένους προμηθευτές. Έτσι, η εταιρεία θα πρέπει να μπορεί να συνεχίσει να αναπτύσσεται σταθερά και να παραμείνει ηγετική δύναμη στους πολλαπλούς τομείς της.