Sijoittaminen Nobel-palkinnon saavutuksiin – Laserien potentiaali

Nobel-palkinnon historia

Nobel-palkinto kuuluu tieteen tunnetuimpiin tunnustuksiin. Se perustuu Alfred Nobelin testamenttiin, jonka mukaan palkinnot tuli myöntää niille, jotka edellisen vuoden aikana ovat tuoneet suurimman hyödyn ihmiskunnalle fysiikan, kemian, fysiologian tai lääketieteen, kirjallisuuden ja rauhantyön aloilla. Ruotsin keskuspankki perusti myöhemmin taloustieteen muistopalkinnon.

Palkinnonsaajat valitsevat testamentissa määritellyt laitokset. Useimmat toimivat Ruotsissa, mutta rauhanpalkinnon saajan valitsee Norjan Nobel-komitea.

Huoli omasta perinnöstä

Alfred Nobel oli kemisti, insinööri, keksijä ja teollisuusmies. Hänen keksintöihinsä kuuluivat dynamiitti ja myöhemmin savuton ballistiittiruuti. Dynamiitti ei itsessään ole savuton ruuti. Hänellä oli myös aseteollisuuteen liittyvää liiketoimintaa.

Tunnetun kertomuksen mukaan veli Ludvigin kuoleman yhteydessä vuonna 1888 julkaistu virheellinen kuolinilmoitus sai Nobelin pohtimaan mainettaan. Kertomusta ei kuitenkaan pidä esittää varmana selityksenä koko palkintojärjestelmän perustamiselle. Hänen vuoden 1895 testamenttinsa määräsi pääosan omaisuudesta palkintorahastoon.

Nobel-palkinto

Nobel-säätiö hallinnoi sijoitettua pääomaa, jonka tuotolla rahoitetaan palkintoja ja niihin liittyvää toimintaa. Palkinnonsaajat saavat mitalin, diplomin ja rahapalkinnon. Vuonna 2024 palkintosumma oli 11 miljoonaa Ruotsin kruunua kutakin täyttä palkintoa kohti.

Lähde: Britannica

Palkinto voidaan jakaa usealle saajalle. Tieteellisillä aloilla kaksi tai kolme tutkijaa on usein vaikuttanut samaan läpimurtoon joko yhdessä tai rinnakkain.

Nobel-palkinnot ovat tunnustaneet sekä perustutkimusta että käytännön sovelluksia. Palkittuihin aiheisiin kuuluvat esimerkiksi radioaktiivisuus, antibiootit, röntgensäteet, PCR sekä perustutkimuksen kohteet, kuten auringon energialähde, elektronin varaus, atomirakenne ja superfluidisuus.

Laserien potentiaali

Ensimmäinen toimiva laser rakennettiin vuonna 1960. Laser tuottaa koherenttia valoa, joka voidaan suunnata kapeaksi säteeksi. Monissa lasereissa aallonpituusalue on hyvin kapea. Säde kuitenkin hajaantuu jonkin verran myös ideaalitapauksessa; se ei pysy rajattoman kapeana kaikilla etäisyyksillä.

Lähde: Britannica

Laser- ja masertekniikan perustana ollut tutkimus toi vuoden 1964 fysiikan Nobel-palkinnon Charles H. Townesille, Nikolai G. Basoville ja Aleksandr M. Prohoroville. Heidät palkittiin kvanttielektroniikan perustutkimuksesta, joka mahdollisti laser-maser-periaatteeseen perustuvat oskillaattorit ja vahvistimet.

Laserien sovellusmahdollisuudet teollisuudessa, mittauksissa ja viestinnässä kävivät nopeasti ilmeisiksi.

Myöhemmät tutkijat kehittivät uusia tapoja hyödyntää laserin valoa. Vuoden 2018 fysiikan Nobel-palkinto tunnusti optiset pinsetit sekä voimakkaiden, erittäin lyhyiden laserpulssien tuottamismenetelmän.

Arthur Ashkin tutki, miten laserin valon liikemäärää voidaan käyttää mikroskooppisten kappaleiden siirtämiseen. Gérard Mourou ja Donna Strickland puolestaan kehittivät menetelmän hyvin lyhyiden ja voimakkaiden laserpulssien tuottamiseen. Menetelmä avasi uusia tutkimus- ja sovellusmahdollisuuksia.

Lähde: Nobel Prize

Työntäminen valolla

Valon fotoneilla ei ole lepomassaa, mutta niillä on energiaa ja liikemäärää. Valon vuorovaikutus aineen kanssa voi siksi kohdistaa kappaleeseen voiman ilman mekaanista kosketusta.

Tavallisissa olosuhteissa voima on pieni. Se voi silti vaikuttaa esimerkiksi avaruuden aurinkopurjeisiin tai mikroskooppisiin hiukkasiin laboratoriossa.

Arthur Ashkin tutki ilmiötä Bell Laboratoriesissa. Hän käytti läpinäkyviä, mikrometrien kokoisia palloja ja osoitti, että laser voi työntää niitä.

Hän havaitsi myös, että tietyissä olosuhteissa pallot hakeutuivat säteen voimakkaampaan keskiosaan. Valon voimakkuusgradientti tuottaa voiman, jota voidaan käyttää hiukkasen pitämiseen halutussa paikassa.

Hiukkasten vangitseminen valolla

Ashkin kehitti optiset pinsetit, joilla pieniä kappaleita voidaan pitää paikallaan ja siirtää. Voimakkaasti fokusoitu lasersäde synnyttää voimakkuusgradientin. Sopivissa olosuhteissa gradienttivoima tasapainottaa säteilypaineen ja muut voimat niin, että hiukkanen jää ansaan polttopisteen lähelle.

Lähde: Nobel Prize

Vuonna 1986 esiteltiin yhden säteen gradienttivoimaan perustuva optinen ansa. Menetelmä tunnetaan optisina pinsetteinä. Sen sovelluksissa voidaan käsitellä hyvin pieniä hiukkasia, joiden sopiva koko riippuu järjestelmästä.

Valoon perustuvat ansat ja niihin liittyvät menetelmät ovat tärkeitä myös yksittäisten atomien käsittelyssä. Atomien laserjäähdytys on tähän liittyvä mutta erillinen tekniikka.

Elävien solujen manipulointi halutulla tavalla

Ashkin kiinnostui erityisesti biologisten kohteiden, kuten virusten ja bakteerien, käsittelystä. Infrapunavalon käyttö vähensi monissa näytteissä vaurioita verrattuna aiemmin käytettyyn vihreään valoon. Sopivasti valituilla olosuhteilla voidaan siirtää kokonaisia pieniä organismeja tai käsitellä solujen osia.

Menetelmällä on tutkittu muun muassa bakteerien siimojen vääntömomenttia, solun tukirangan voimantuottoa ja kasvisolujen osia.

Lähde: Nobel Prize

Tarkkuuden kehittyminen on mahdollistanut yksittäisten biomolekyylien mekaniikan tutkimisen. Optisilla pinseteillä voidaan mitata esimerkiksi molekyylimoottorien voimia ja nukleiinihappojen avautumista sekä tehdä emäsparien mittakaavaan yltäviä havaintoja.

Uusia ratkaisuja kehitetään edelleen, esimerkiksi holografisia optisia pinsettejä, joilla voidaan muodostaa lukuisia optisia ansoja samanaikaisesti.

Akustiset pinsetit käyttävät valon sijasta ääniaaltoja. Tarkastelimme niiden mahdollisia lääketieteellisiä sovelluksia artikkelissamme ”Kohdennettu lääkeannostus voi hyötyä uudesta ääniaaltoja hyödyntävästä tekniikasta”.

Erittäin lyhyet laserpulssit

Laseria voidaan käyttää jatkuvana säteenä tai pulsseina. Hyvin lyhyt pulssi voi tuottaa suuren huipputehon ja sopia ilmiöihin, joissa energia täytyy kohdistaa erittäin nopeasti.

Aluksi kehitystä edistivät muotolukitut laserit. Niiden avulla saatiin hyvin lyhyitä pulsseja, joita voitiin vahvistaa nanojouleista millijouleihin. Tämä on miljoonakertainen kasvu pulssienergiassa; huipputehon muutos riippuu myös pulssin kestosta.1970-luvulla vahvistimien vaurioituminen alkoi rajoittaa yhä voimakkaampien pulssien tuottamista.

Lähde: Nobel Prize

Yksi ratkaisu oli kasvattaa säteen läpimittaa, jolloin energia jakautui suuremmalle alueelle. Tämä edellytti suuria ja kalliita laitteistoja. Harvat laukaukset päivässä rajoittivat myös kokeiden tekemistä.

Taajuuspyyhkäisty pulssinvahvistus (CPA)

Pulssien vahvistamisen rajoitukset hidastivat myös niihin tukeutuvaa tutkimusta. Rochesterin yliopiston väitöskirjatutkija Donna Strickland ja hänen ohjaajansa Gérard Mourou kehittivät ongelmaan ratkaisun, josta he saivat osuutensa vuoden 2018 Nobel-palkinnosta.

Pulssi venytetään ensin ajallisesti, jolloin sen huipputeho pienenee. Sen energiaa voidaan tällöin vahvistaa vaurioittamatta materiaalia yhtä helposti. Lopuksi pulssi puristetaan jälleen lyhyeksi, mikä tuottaa suuren huipputehon. Menetelmän nimi on chirped pulse amplification eli CPA, suomeksi taajuuspyyhkäisty pulssinvahvistus.

Periaate oli yksinkertainen, mutta toteutus vaati tarkkaa optista suunnittelua ja ajoitusta. Varhaisissa kokeissa käytettiin pitkää optista kuitua pulssin venyttämiseen. Strickland ja Mourou julkaisivat onnistuneen menetelmän vuonna 1985, ja siitä tuli tärkeä tehokkaiden lyhytpulssilaserien perusta.

Lähde: Nobel Prize

Erittäin lyhyiden laserpulssien sovellukset

Erittäin nopeiden ilmiöiden havainnointi

Lyhyellä pulssilla voidaan valaista tai käynnistää ilmiö hyvin tarkasti ajoitettuna. Femtosekunti on sekunnin miljardisosan miljoonasosa eli 10⁻¹⁵ sekuntia. Tällainen aikaerotus auttaa tutkimaan esimerkiksi kemiallisten reaktioiden vaiheita.

Lähde: Nobel Prize

Attosekuntitutkimus ulottuu vielä tuhat kertaa lyhyempiin aikoihin. Attosekunti on 1/1000^:n femtosekunnin pituinen. Sen avulla voidaan tutkia elektronien liikettä atomeissa ja molekyyleissä sekä tiiviin aineen ilmiöitä.

Lääketieteelliset käyttötarkoitukset

Voimakkailla laserpulsseilla voidaan kiihdyttää elektroneja ja protoneja plasmassa. Tätä tutkitaan muun muassa kompaktien hiukkaskiihdyttimien ja sädehoidon kehittämiseksi. Tutkimuslaitteiston mahdollinen pienuus ei tarkoita, että laserplasmaan perustuva protonihoito olisi jo yleinen sairaaloiden hoitomuoto.

Erittäin lyhyitä pulsseja käytetään myös silmäkirurgiassa, esimerkiksi kudoksen tarkkaan leikkaamiseen. Kaikki silmälaserit eivät kuitenkaan käytä samaa tekniikkaa: diabeettisen retinopatian fotokoagulaatio perustuu kudoksen lämpökäsittelyyn, eikä sitä pidä rinnastaa femtosekuntilaserin leikkausmenetelmään.

Lähde: Nobel Prize

Materiaalitieteet

Laserilla voidaan työstää materiaalia hyvin tarkasti. Pitkä pulssi tai jatkuva kuormitus voi lämmittää ympäröivää materiaalia ja aiheuttaa vaurioita.

Femtosekuntipulssit voivat poistaa materiaalia ja vähentää lämmön leviämistä ympäristöön. Ne eivät silti automaattisesti poista kaikkea lämpö- tai muuta vaurioriskiä.

Lähde: Nobel Prize

Tarkka työstö sopii silmäkirurgian lisäksi esimerkiksi tietojen tallennus ja verisuonistenttien valmistukseen. Stentit ovat pieniä tukiverkkoja, joilla pidetään verisuoni tai muu käytävä avoimena.

Sijoittaminen laserteknologiaan

Lasereita käytetään esimerkiksi optisissa levyissä, kirurgiassa, 3D-tulostuksessa, puolijohdetuotannossa ja genomin sekvensoinnissa. Artikkelissa viitattu markkinatutkimus arvioi markkinoiden kooksi 17,8 miljardia dollaria ja ennusti 7,8 prosentin vuotuista kasvua vuoteen 2030. Kyse on tietyn raportin arviosta ja ennusteesta, ei taatusta kehityksestä.

Lue lisää mahdollisista sovelluksista artikkelistamme ”Laserit ovat asettumassa keskeiseen rooliin tulevina vuosikymmeninä teknologian kehittyessä”, jossa käsitellään myös puolustusta, terveydenhuoltoa ja ydinfuusiota.

Laserteknologiaan liittyvien yritysten osakkeita voi ostaa niitä tarjoavilta välittäjiltä. Sivustolla securities.io on myös välittäjävertailuja esimerkiksi Yhdysvalloissa, Kanadassa, Australiassa, Iso-Britanniassa, sekä monissa muissa maissa toimiville sijoittajille.

Yksittäisten osakkeiden sijasta voi tarkastella laajempia teknologiarahastoja, kuten iShares U.S. Technology ETF (IYW) tai ProShares Nanotechnology ETF (TINY). Nämä eivät ole puhtaasti lasereihin keskittyviä sijoituksia. Tarkista rahaston ajantasainen saatavuus, sijoituskohteet ja kulut. Hajautus ei takaa tuottoa tai suojaa kaikilta tappioilta.

Laseriyritykset

1. Coherent (entinen II-VI)

Coherent on fotoniikan ja laserteknologian teollisuusyritys. II-VI (COHR ) osti Coherentin vuonna 2022 ja otti sen nimen. II-VI Marlow on konserniin liittyvä lämpösähköteknologian nimi, ei koko yritysoston toinen osapuoli. Henkilöstömäärä vaihtelee raportointikausittain.

Yhtiö valmistaa lasereihin, optiikkaan ja fotoniikkaan liittyviä materiaaleja ja komponentteja, kuten indiumfosfidia, epitaksiaalisia kiekkoja ja galliumarsenidia. Yritysostot ovat laajentaneet sen liiketoimintaa.

Lähde: Coherent

Liikevaihto muodostuu laserien lisäksi esimerkiksi optisen viestinnän komponenteista, materiaaleista ja mittalaitteista. Osuudet riippuvat raportointikaudesta ja segmenttien määrittelystä; yksittäistä prosenttia ei pidä tulkita pysyväksi jakaumaksi.

Lähde: Coherent

Yhtiön osaaminen kattaa muun muassa termofotosähköiset materiaalit, joita käsittelimme aiemmassa artikkelissa, sekä piikarbidin, laserit ja elektroniikan. Tarkkuusvalmistus, 3D-tulostus, sähköistyminen ja uusiutuva energia voivat kasvattaa kysyntää, mutta kilpailu ja suhdanteet vaikuttavat tulokseen.

Vuoden 2023 järjestelyssä piikarbidiliiketoiminta siirrettiin erilliseen tytäryhtiöön. Coherentille jäi 75 prosentin osuus. Mitsubishi Electric ja Denso sijoittivat kumpikin 500 miljoonaa dollaria ja saivat kumpikin 12,5 prosentin osuuden. Kumppanuus tukee piikarbidimateriaalien kapasiteettia ja toimituksia.

2. Corning

Corning on materiaaliteknologiayritys, jonka ydinaloja ovat lasitiede, optinen fysiikka ja keramiikka. Sen tuotteita käytetään monissa lasereihin liittyvissä järjestelmissä, mutta se ei ole yksinomaan laservalmistaja.

Lähde: Corning

Yhtiö toimii muun muassa optisessa tiedonsiirrossa, tarkkuuslasien valmistuksessa, langattomien verkkojen ratkaisuissa ja autojen päästöjen hallintaan liittyvässä keramiikassa. Corningin tutkijat kehittivät vuonna 1970 vähähäviöisen optisen kuidun, joka oli tärkeä askel kuituviestinnälle.

Laserjärjestelmät tarvitsevat puhtaita materiaaleja ja tarkasti valmistettuja optisia osia. Tämä yhdistää useita Corningin teknologia-alueita.

Yhtiön historiaan kuuluu useita lasi- ja optiikkateknologian innovaatioita, kuten:

• Lämmönkestävä PYREX-lasi.
• LCD-lasi.
• Antimikrobinen lasi.
• Optiset materiaalit James Webb -avaruusteleskooppiin.
• Optiset materiaalit ja osat laserfuusion tutkimukseen.

Lähde: Corning

Yhtiö tarjoaa myös lasertyöstöön liittyviä ratkaisuja esimerkiksi lasin ja muiden hauraiden materiaalien leikkaamiseen ja pintakäsittelyyn.

Lähde: Corning

Kehittyneillä optisilla osilla ja keramiikalla on käyttöä esimerkiksi puolijohdevalmistuksessa ja biotieteissä.

Corningin tuotteita käytetään muun muassa ilmailussa ja avaruustekniikassa, bioteknologiassa, lääketeollisuudessa, elektroniikassa, näytöissä, optisessa viestinnässä ja ajoneuvoissa.

Näiden alojen kehitys voi lisätä erikoismateriaalien kysyntää. Yhtiön kasvu ei kuitenkaan ole varmaa, vaan siihen vaikuttavat muun muassa kilpailu, asiakkaiden investoinnit ja eri markkinoiden suhdanteet.