Investir dans les réalisations du Prix Nobel – Le potentiel des lasers

Histoire du Prix Nobel

Le Prix Nobel est la récompense la plus prestigieuse du monde scientifique. Il a été créé selon le testament de M. Alfred Nobel pour attribuer un prix « à ceux qui, au cours de l’année précédente, ont apporté le plus grand bénéfice à l’humanité » en physique, chimie, physiologie ou médecine, littérature et paix. Un sixième prix a ensuite été créé pour les sciences économiques par la banque centrale suédoise.

La décision de qui attribuer le prix appartient à plusieurs institutions académiques suédoises.

Préoccupations liées à l’héritage

La décision de créer le Prix Nobel est venue à Alfred Nobel après qu’il eut lu son propre nécrologue, suite à une erreur d’un journal français qui avait mal compris la nouvelle du décès de son frère. Intitulé « Le marchand de la mort est mort », l’article français critiquait Nobel pour son invention d’explosifs sans fumée, dont la dynamite était la plus célèbre.

Ses inventions ont fortement influencé la guerre moderne, et Nobel a acheté une immense aciérie pour en faire un important fabricant d’armements. En tant que chimiste, ingénieur et inventeur, Nobel a réalisé qu’il ne voulait pas que son héritage soit celui d’un homme rappelé pour avoir fait fortune grâce à la guerre et à la mort d’autrui.

Prix Nobel

De nos jours, la fortune de Nobel est placée dans un fonds investi pour générer des revenus afin de financer la Fondation Nobel ainsi que la médaille verte plaquée or, le diplôme et la récompense monétaire de 11 millions SEK (environ 1 million $) attribués aux lauréats.

Source: Britannica

Souvent, l’argent du Prix Nobel est partagé entre plusieurs lauréats, notamment dans les domaines scientifiques où il est courant que 2 ou 3 figures majeures contribuent ensemble ou en parallèle à une découverte révolutionnaire.

Au fil des années, le Prix Nobel est devenu LE prix scientifique, cherchant à équilibrer découvertes théoriques et très pratiques. Il a récompensé des réalisations qui ont jeté les bases du monde moderne, comme la radioactivité, les antibiotiques, les rayons X, ou le PCR, ainsi que la science fondamentale comme la source d’énergie du soleil, la charge de l’électron, la structure atomique, ou la superfluidité.

Le potentiel des lasers

Inventés en 1960, les lasers sont devenus une sensation dans le domaine de la recherche en physique presque immédiatement. Les lasers sont des faisceaux cohérents de lumière, créant un faisceau très étroit d’une seule longueur d’onde qui ne se disperse pas sur de longues distances.

Source: Britannica

La création du laser même aurait été très rapidement récompensée par un prix Nobel, en 1964 à Townes, Nicolay G. Basov et Aleksandr M. Prokhorov « pour leurs travaux fondamentaux dans le domaine de l’électronique quantique, qui ont conduit à la construction d’oscillateurs et d’amplificateurs basés sur le principe laser-maser ».

Cela parce qu’il est rapidement devenu évident que les lasers auraient une vaste gamme d’applications, de la production industrielle à la communication.

Cependant, d’autres scientifiques n’ont pas envisagé les lasers sous cet angle et ont plutôt étudié la technologie plus avant. Ils remporteraient le Prix Nobel de Physique en 2018 pour leurs découvertes.

Arthur Ashkin a étudié comment un laser pouvait être utilisé pour déplacer des objets microscopiques, en n’utilisant que le « poids » d’un faisceau lumineux. Pendant ce temps, Gérard Mourou et Donna Strickland ont développé une méthode pour créer des impulsions laser ultra-rapides et ultra-puissantes, mais des décennies plus tard, aucune limite ne semble se dessiner quant à la portée de cette technique pour augmenter la vitesse et la puissance des lasers.

Source: Prix Nobel

Propulser avec la lumière

Bien que sans poids, les photons qui constituent la lumière transportent une petite quantité d’énergie et, par conséquent, de quantité de mouvement. En théorie, cela suffit à créer un mouvement sans toucher un objet.

Déplacer des objets avec cet effet est cependant difficile, car le mouvement induit est très petit. Ainsi, en pratique, cela ne fonctionne que dans l’espace (voiles solaires) ou sur des objets microscopiques.

Cela a été le domaine de recherche favorisé par Arthur Ashkin aux Bell Laboratories. Il a commencé à utiliser des sphères transparentes de taille micrométrique et a confirmé qu’elles pouvaient être poussées par des lasers.

Une observation surprenante était que les sphères étaient attirées par le centre du faisceau laser, qui était le plus fort. Il a découvert que cela était dû au fait que le bord du faisceau laser est plus faible, maintenant la particule au centre.

Piégeage de particules avec la lumière

C’est alors qu’Ashkin a eu la percée de transformer le laser en pinces capables de saisir et de déplacer des objets à volonté. Pour ce faire, il a ajouté une lentille à l’installation qui refocalisait le laser afin qu’il se concentre en un point précis dans l’espace. À ce point focal, la particule est piégée, la pression de la lumière du laser la ramenant constamment vers le centre.

Source: Prix Nobel

En 1986, cette méthode appelée « piège optique à force de gradient à faisceau unique » était établie, et bientôt connue sous le nom plus familier de « pinces optiques ». Elle pouvait piéger des particules allant de dizaines de nanomètres à dizaines de micromètres.

Les techniques sont rapidement devenues un moyen majeur de piéger, manipuler et refroidir des atomes individuels.

Manipulation des cellules vivantes à volonté

Mais Ashkin s’est davantage concentré sur son potentiel à manipuler des êtres vivants comme les virus et les bactéries. Comme le laser vert qu’il utilisait jusqu’alors était trop puissant, il est passé à un laser infrarouge beaucoup moins dommageable pour les organismes vivants. Cette méthode a rapidement prouvé qu’elle pouvait déplacer des virus ou des bactéries entiers, ainsi que pousser et déplacer les composants internes des cellules.

Cela a rapidement conduit à la mesure du couple créé par un flagelle bactérien, la force exercée par les microtubules (partie du « squelette » cellulaire) à l’intérieur des cellules, et la manipulation de sous-composants de cellules végétales.

Source: Prix Nobel

Des progrès supplémentaires dans la précision et le contrôle de la technique ont conduit à la capacité de manipuler des composants aussi petits qu’une paire de bases d’ADN, de mesurer les forces mécaniques de la protéase (enzyme dégradant les protéines) et de dérouler des molécules d’ARN.

De nouvelles idées sont encore développées dans ce domaine scientifique, comme les pinces optiques holographiques, qui permettent à des milliers de pinces d’être utilisées simultanément.

Un concept similaire, utilisant des ondes sonores au lieu du laser (pinces acoustiques), est également en cours de perfectionnement. Nous avons exploré comment cela pourrait révolutionner la chirurgie et la médecine dans notre article « La délivrance ciblée de médicaments pourrait bénéficier d’une nouvelle technique impliquant des ondes sonores ».

Impulsions laser ultra-rapides

Lorsque le laser est apparu, les premières utilisations développées se faisaient avec un faisceau laser continu. Mais rapidement, il est devenu clair qu’une impulsion à haute énergie pouvait être plus utile pour de nombreuses autres applications nécessitant la livraison d’une grande puissance quasi instantanément.

Au départ, des améliorations ont été réalisées en utilisant des lasers à verrouillage de mode, une méthode permettant de faire passer des impulsions de nanojoules au niveau de millijoules, soit une multiplication par un million de la puissance. Cependant, ces progrès ont stagné dans les années 1970, car les niveaux croissants d’énergie endommageaient les amplificateurs utilisés.

Source: Prix Nobel

La seule façon de contourner le problème était d’utiliser un faisceau laser de plus grand diamètre. Cependant, ceux-ci étaient coûteux et n’étaient disponibles que pour quelques instituts nationaux de recherche. De plus, ils ne pouvaient tirer que quelques tirs par jour, entravant gravement la recherche nécessitant de telles impulsions laser.

Amplification d’impulsions étirées (CPA) à la rescousse

Il devenait clair que la technologie des impulsions laser stagnait, et avec elle, tous les autres programmes de recherche qui en dépendaient. C’est là que Donna Strickland, doctorante, et son superviseur Gérard Mourou, à l’Université de Rochester aux États‑Unis, remportèrent leur part de ce Prix Nobel.

L’idée centrale était d’abord « étirer » l’impulsion laser, réduisant ainsi sa puissance de crête. Cela signifie qu’elle pouvait maintenant être amplifiée sans endommager le matériau de l’amplificateur. Elle était ensuite « recomprimée » en une courte impulsion, augmentant considérablement la puissance de l’impulsion au-delà de ce qui était possible auparavant. La technique a été appelée Amplification d’impulsions étirées (CPA).

Le concept était simple, mais sa mise en œuvre ne l’était pas. Il a fallu plusieurs années aux deux chercheurs pour y parvenir réellement. Ils ont utilisé plus d’un kilomètre de fibre optique et ont eu du mal à synchroniser tous les composants. Ce n’est qu’en 1985 qu’ils ont réussi, et que le CPA a été utilisé pour créer des impulsions laser toujours plus puissantes.

Source: Prix Nobel

Applications des impulsions laser ultra-rapides

Observations à temps infinitésimal

L’une des applications des impulsions laser ultra‑courtes est d’« illuminer » une cible très brièvement, à l’échelle de la femtoseconde, soit un millionième de milliardième de seconde. Cela rend possible l’observation de phénomènes comme les réactions chimiques moléculaires, auparavant perçues comme instantanées.

Source: Prix Nobel

Des progrès supplémentaires ouvrent même tout un nouveau champ scientifique, la science attoseconde (1/1000^th de femtoseconde). Avec elle, les scientifiques peuvent étudier la dynamique électronique à l’intérieur des atomes et des molécules, et la matière à l’état condensé peut être sondée.

Utilisations médicales

Ces lasers sont également utilisés pour créer une accélération laser‑plasma, accélérant des particules comme les protons et les électrons à des niveaux d’énergie extrêmes. Ceux‑ci peuvent être employés en radiothérapie, et l’usage de lasers permet d’avoir des machines suffisamment petites pour tenir dans un environnement hospitalier.

Les lasers ultra‑rapides sont aussi utilisés pour la chirurgie oculaire, de la chirurgie LASIK qui élimine le besoin de lunettes à la photocoagulation pour traiter la rétinopathie diabétique (maladies de la rétine).

Source: Prix Nobel

Sciences des matériaux

Les lasers peuvent être utilisés pour sculpter les matériaux avec une grande précision. Cependant, le problème est qu’une utilisation prolongée du laser crée un échauffement rapide du matériau, générant des ondes de choc dommageables.

Les lasers femtosecondes continuent de sculpter mais sont suffisamment courts pour ne pas surchauffer, éliminant ainsi ce problème.

Source: Prix Nobel

Comme nous l’avons mentionné, cela permet l’utilisation des lasers pour la chirurgie oculaire, le stockage de données, et la fabrication de stents chirurgicaux, des cylindres micrométriques de métal étiré insérés dans les vaisseaux sanguins du corps, ainsi que d’autres canaux.

Investir dans la technologie laser

Les lasers sont présents dans d’innombrables parties de la technologie moderne, des disques optiques aux outils chirurgicaux, impression 3D, semi‑conducteurs, fabrication et séquenceurs génomiques, avec un marché de 17,8 milliards de dollars prévu de croître de 7,8 % CAGR d’ici 2030.

Vous pouvez en savoir plus sur le potentiel des lasers dans notre article « Les lasers sont destinés à jouer un rôle pivot dans les décennies à venir à mesure que la technologie progresse », incluant de futures nouvelles utilisations, comme dans la défense, la santé et la fusion nucléaire.

Vous pouvez investir dans des entreprises liées aux lasers via de nombreux courtiers, et vous trouverez ici, sur securities.io, nos recommandations pour les meilleurs courtiers aux États‑Unis, Canada, Australie, Royaume‑Uni, ainsi que de nombreux autres pays.

Si vous n’êtes pas intéressé par la sélection d’entreprises spécifiques, vous pouvez également vous tourner vers des ETF technologiques comme iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou ProShares Nanotechnology ETF (TINY), même s’il n’existe pas d’ETF dédié uniquement aux lasers, ce qui vous offrirait une exposition plus diversifiée pour capitaliser sur les actions laser & tech.

Entreprises de lasers

1. II-VI Marlow / Coherent

Coherent est un grand conglomérat industriel comptant plus de 26 000 employés et un leader de la technologie laser, résultant de la fusion du matériau avancé II-VI (COHR ) Marlow avec le fabricant de lasers Coherent.

L’entreprise est experte en matériaux avancés utilisés dans les lasers, l’optique et la photonique, tels que le phosphure d’indium, les wafers épitaxiaux et le gallium arséniure. Elle a fortement grandi grâce à de multiples acquisitions au cours de la dernière décennie.

Source: Coherent

L’entreprise tire 29 % de ses revenus du laser, le reste étant lié à des équipements associés comme les fibres optiques, l’électronique et l’instrumentation.

Source: Coherent

La présence de l’entreprise dans les matériaux avancés comme les thermophotovoltaiques (que nous avons abordé dans un article précédent), le carbure de silicium, les lasers et l’électronique l’aide à bénéficier de tendances structurelles telles que la croissance de la fabrication de précision, la fabrication additive (impression 3D), l’électrification et les énergies renouvelables.

L’entreprise a récemment séparé son activité de carbure de silicium en une nouvelle entité, détenue à 75 % par Coherent, le reste étant partagé également entre ses partenaires Mitsubishi Electric (apportant la propriété intellectuelle du carbure de silicium) et Denso (apportant son activité de fournisseur automobile dans l’électrification et les semi‑conducteurs de puissance).

2. Corning

Corning est une société de technologie manufacturière et un leader sur les marchés laser, avec un focus sur 3 technologies principales : les sciences du verre, la physique optique (y compris les lasers) et les sciences céramiques.

Source: Corning

Avec plus de 50 000 employés, elle est présente sur de nombreux marchés, dont les fibres optiques (elle a inventé la première fibre optique à faible perte en 1970), la fabrication de précision, les verres de protection et de précision, les réseaux sans fil et le contrôle des émissions automobiles (céramique pour les catalyseurs).

Comme les lasers eux‑mêmes reposent sur des matériaux très purs et des verres précisément façonnés, il existe de nombreuses synergies entre les différentes technologies détenues par Corning.

En général, l’entreprise possède une longue histoire d’innovation réussie dans ses technologies de base, incluant :

• Verre résistant à la chaleur PIREX.
• Verre LCD.
• Verre antimicrobien.
• Technologie de capture d’image pour le télescope James Webb.
• Lentilles de focalisation de faisceau pour la fusion nucléaire.

Source: Corning

Elle vend également de nombreux outils basés sur les lasers, comme le coupage et polissage du verre et d’autres matériaux fragiles.

Source: Corning

Les lentilles avancées, les lasers et les céramiques deviennent de plus en plus importants dans toutes sortes d’applications haute technologie, de la fabrication de semi‑conducteurs aux sciences de la vie.

L’entreprise est présente dans l’aérospatiale, la biotechnologie & pharmaceutique, l’électronique & l’affichage, la communication optique et l’automobile, ainsi que dans le leadership technologique de ses niches.

Tous ces secteurs croissent rapidement et deviennent de plus en plus dépendants d’équipements haute technologie fournis par des fournisseurs spécialisés. Ainsi, l’entreprise devrait pouvoir continuer à croître régulièrement et rester une force dominante dans ses multiples secteurs.