Investire nei risultati del Premio Nobel – Il potenziale dei laser

Storia del Premio Nobel

The Nobel Prize è il riconoscimento più prestigioso nel mondo scientifico. È stato creato secondo il testamento del signor Alfred Nobel per assegnare un premio “a coloro che, nell’anno precedente, hanno conferito il più grande beneficio all’umanità” in fisica, chimica, fisiologia o medicina, letteratura e pace. Un sesto premio sarebbe stato creato successivamente per le scienze economiche dalla banca centrale svedese.

La decisione su chi assegnare il premio spetta a diverse istituzioni accademiche svedesi.

Preoccupazioni sul lascito

La decisione di creare il Premio Nobel arrivò ad Alfred Nobel dopo aver letto la propria necrologia, a seguito di un errore di un giornale francese che fraintese la notizia della morte di suo fratello. Intitolato “The Merchant of Death Is Dead”, l’articolo francese criticò Nobel per la sua invenzione di esplosivi senza fumo, di cui la dinamite era la più famosa.

Le sue invenzioni furono molto influenti nella formazione della guerra moderna, e Nobel acquistò una enorme acciaieria per trasformarla in un importante produttore di armamenti. Essendo prima chimico, ingegnere e inventore, Nobel si rese conto di non volere che il suo lascito fosse quello di un uomo ricordato per aver fatto una fortuna grazie alla guerra e alla morte altrui.

Premio Nobel

Oggi, la fortuna di Nobel è conservata in un fondo investito per generare reddito a finanziare la Fondazione Nobel e la medaglia verde placcata in oro, il diploma e il premio in denaro di 11 milioni di SEK (circa 1 milione di dollari) attribuiti ai vincitori.

Fonte: Britannica

Spesso, il denaro del Premio Nobel viene suddiviso tra diversi vincitori, soprattutto nei campi scientifici dove è comune che 2 o 3 figure di spicco contribuiscano insieme o in parallelo a una scoperta rivoluzionaria.

Nel corso degli anni, il Premio Nobel è diventato IL premio scientifico, cercando di trovare un equilibrio tra scoperte teoriche e molto pratiche. Ha premiato risultati che hanno costruito le fondamenta del mondo moderno, come radioattività, antibiotici, raggi X, o PCR, così come scienze fondamentali come la fonte di energia del sole, la carica dell’elettrone, la struttura atomica, o la superfluidità.

Il potenziale dei laser

Inventati nel 1960, i laser divennero una sensazione nel mondo della ricerca fisica quasi immediatamente. I laser sono fasci di luce coerenti, creando un fascio molto stretto di luce a singola lunghezza d’onda che non si disperde su lunghe distanze.

Fonte: Britannica

La creazione del laser stesso verrebbe premiato molto rapidamente con un premio Nobel, nel 1964 a Townes, Nicolay G. Basov e Aleksandr M. Prokhorov “per il lavoro fondamentale nel campo dell’elettronica quantistica, che ha portato alla costruzione di oscillatori e amplificatori basati sul principio laser-maser”.

Ciò è dovuto al fatto che divenne rapidamente evidente che i laser avrebbero avuto una vasta gamma di applicazioni, dalla produzione industriale alla comunicazione.

Tuttavia, altri scienziati non guardavano ai laser da questa prospettiva e invece studiarono ulteriormente la tecnologia. E avrebbero vinto il Premio Nobel per la Fisica nel 2018 per le loro scoperte.

Arthur Ashkin studiò come un laser potesse essere usato per spostare oggetti microscopici, usando solo il “peso” di un fascio di luce. Nel frattempo, Gérard Mourou e Donna Strickland svilupparono un metodo per creare impulsi laser ultra‑veloci e ultra‑potenti, ma decenni dopo non si intravede una fine a quanto questa tecnica possa aumentare la velocità e la potenza dei laser.

Fonte: Nobel Prize

Spingere con la luce

Nonostante siano privi di peso, i fotoni che costituiscono la luce trasportano una piccola quantità di energia e, quindi, quantità di moto. In teoria, ciò è sufficiente per creare movimento senza toccare un oggetto.

Spostare oggetti con questo effetto è, tuttavia, difficile, poiché il movimento indotto è molto piccolo. Quindi, nella pratica, può funzionare solo nello spazio (velette solari) o su oggetti microscopici.

Questo era il campo di ricerca favorito da Arthur Ashkin presso i Bell Laboratories. Iniziò a usare sfere trasparenti di dimensioni micrometriche e confermò che potevano essere spinte dai laser.

Un’osservazione sorprendente fu che le sfere erano attratte dal centro del fascio laser, che era il più forte. Scoprì che ciò avviene perché il bordo del fascio laser è più debole, mantenendo così la particella al suo centro.

Catturare particelle con la luce

Fu allora che Ashkin fece la scoperta di trasformare il laser in pinze in grado di afferrare e spostare oggetti a piacere. Per farlo, aggiunse una lente all’impianto che rifocalizzava il laser concentrandolo in un punto specifico nello spazio. In questo punto focale, la particella viene intrappolata, poiché la pressione della luce laser la tira costantemente verso il centro.

Fonte: Nobel Prize

Entro il 1986, questo metodo chiamato “trappola ottica a forza di gradiente a singolo fascio” fu consolidato, e presto divenne noto con il più colloquiale “pinze ottiche”. Poteva intrappolare particelle da decine di nanometri a decine di micrometri.

Le tecniche divennero rapidamente un modo principale per intrappolare, manipolare e raffreddare atomi individuali.

Manipolare le cellule viventi a piacere

Ma Ashkin era più concentrato sul suo potenziale nella manipolazione di organismi viventi come virus e batteri. Poiché il laser verde che aveva usato finora era troppo forte, passò a un laser a infrarossi molto meno dannoso per gli organismi viventi. Questo metodo dimostrò rapidamente di poter spostare interi virus o batteri, nonché spingere e muovere componenti interni delle cellule.

Ciò avrebbe presto portato alla misurazione della torsione creata dal flagello di un batterio, della forza esercitata dai microtubuli (parte dello “scheletro” cellulare) all’interno delle cellule, e alla manipolazione di sotto-componenti delle cellule vegetali.

Fonte: Nobel Prize

Ulteriori progressi nella precisione e nei controlli della tecnica consentirebbero di manipolare componenti grandi quanto una singola coppia di basi del DNA, misurare le forze meccaniche della proteasi (enzima che degrada le proteine) e srotolare molecole di RNA.

Nuove idee sono ancora in fase di sviluppo in questo campo della scienza, come pinze ottiche olografiche, che migliaia di pinze possono usare simultaneamente.

Un concetto simile, che utilizza onde sonore invece del laser (pinze acustiche), è attualmente in fase di perfezionamento. Abbiamo esplorato come potrebbe rivoluzionare la chirurgia e la medicina nel nostro articolo “La consegna mirata di farmaci potrebbe beneficiare di una nuova tecnica che coinvolge onde sonore.”

Impulsi laser ultra‑veloci

Quando i laser furono introdotti, i primi utilizzi sviluppati furono con un fascio laser continuo. Ma rapidamente divenne chiaro che un impulso ad alta energia potesse essere più utile per molte altre applicazioni che richiedono la consegna di molta potenza quasi istantaneamente.

Inizialmente, i miglioramenti furono realizzati usando laser a blocco di modalità, un metodo che permette di aumentare gli impulsi da nanojoule al livello di millijoule, un aumento di potenza di un milione di volte. Tuttavia, questo progresso stagnò negli anni ’70, poiché i crescenti livelli di energia danneggiavano gli amplificatori utilizzati.

Fonte: Nobel Prize

L’unico modo per aggirare il problema trovato era usare un fascio laser con un diametro più grande. Tuttavia, questi erano costosi e disponibili solo per pochi istituti di ricerca nazionali. Inoltre, potevano sparare solo pochi colpi al giorno, ostacolando gravemente la ricerca che richiedeva tali impulsi laser.

Amplificazione di impulsi chirpati (CPA) in soccorso

Stava diventando chiaro che la tecnologia degli impulsi laser stava stagnando, e con essa tutti gli altri programmi di ricerca che dipendevano da essi. È qui che Donna Strickland, una studentessa di dottorato, e il suo supervisore, Gérard Mourou, all’Università di Rochester negli Stati Uniti, avrebbero vinto la loro parte di questo Premio Nobel.

L’idea centrale era di prima “allungare” l’impulso laser, riducendone la potenza di picco. Ciò significa che ora poteva essere amplificato senza danneggiare il materiale dell’amplificatore. Successivamente veniva “ricomprato” in un impulso breve, aumentando notevolmente la potenza dell’impulso oltre quanto fosse possibile prima. La tecnica fu chiamata Amplificazione di impulsi chirpati (CPA).

Il concetto era semplice, ma la sua implementazione no. Ci vollero diversi anni perché i due ricercatori riuscissero a realizzarlo. Utilizzarono più di un chilometro di fibra ottica e faticarono a sincronizzare tutti i componenti. Solo nel 1985 riuscirono, e quella CPA fu poi usata per creare impulsi laser sempre più potenti.

Fonte: Nobel Prize

Applicazioni degli impulsi laser ultra‑veloci

Osservazioni di tempo infinitesimale

Una delle applicazioni degli impulsi laser ultracorti è “illuminare” un bersaglio per un brevissimo intervallo, dell’ordine del femtosecondo, un milionesimo di un miliardesimo di secondo. Questo rende possibile l’osservazione di fenomeni come le reazioni chimiche molecolari, prima considerate istantanee.

Fonte: Nobel Prize

Ulteriori progressi stanno aprendo un intero nuovo campo scientifico, la scienza degli attosecondi (1/1000^esimo di un femtosecondo). Con essa, gli scienziati possono studiare la dinamica elettronica all’interno degli atomi e le molecole e la materia nella fase condensata possono essere esaminate.

Usi medici

Questi laser sono anche usati per creare accelerazione laser-plasma, accelerando particelle come protoni ed elettroni a livelli estremi di energia. Possono essere usati per la radioterapia, e l’uso dei laser consente macchine sufficientemente piccole da poter essere collocate in un ambiente ospedaliero.

I laser ultra‑veloci sono anche usati per la chirurgia oculare, dalla chirurgia LASIK per eliminare la necessità di occhiali alla fotocoagulazione per trattare la retinopatia diabetica (malattie della retina).

Fonte: Nobel Prize

Scienze dei materiali

I laser possono essere usati per incidere i materiali con grande precisione. Tuttavia, il problema è che un uso prolungato del laser genera un rapido riscaldamento del materiale, che crea onde d’urto dannose.

I laser femtosecondi continuano a eseguire l’incisione ma sono sufficientemente brevi da non surriscaldare, eliminando questo problema.

Fonte: Nobel Prize

Come abbiamo accennato, questo consente l’uso dei laser per la chirurgia oculare, archiviazione dati, e la produzione di stent chirurgici, cilindri di dimensioni micrometriche di metallo allungato inseriti nei vasi sanguigni del corpo, e altri canali.

Investire nella tecnologia laser

I laser sono presenti in innumerevoli parti della tecnologia moderna, dai dischi ottici agli strumenti chirurgici, stampa 3D, semiconduttori, produzione e sequenziatori di genomi, con un mercato da 17,8 miliardi di dollari previsto in crescita del 7,8 % CAGR fino al 2030.

Puoi leggere di più sul potenziale dei laser nel nostro articolo “I laser sono destinati a svolgere un ruolo fondamentale nei decenni a venire man mano che la tecnologia avanza”, includendo nuovi usi futuri, come nella difesa, nella salute e nella fusione nucleare.

Puoi investire in società legate ai laser attraverso molti broker, e puoi trovare qui, su securities.io, le nostre raccomandazioni per i migliori broker negli Stati Uniti, Canada, Australia, Regno Unito, e in molti altri paesi.

Se non sei interessato a scegliere società specifiche, puoi anche considerare ETF tecnologici come iShares U.S. Technology ETF (IYW) o ProShares Nanotechnology ETF (TINY), anche se non esiste un ETF dedicato esclusivamente ai laser, il che fornirà un’esposizione più diversificata per capitalizzare sui titoli laser e tecnologici.

Società laser

1. II-VI Marlow / Coherent

Coherent è un grande conglomerato industriale con oltre 26.000 dipendenti e leader nella tecnologia laser, risultato della fusione del materiale avanzato II-VI (COHR ) Marlow con il produttore di laser Coherent.

L’azienda è esperta in materiali avanzati usati nei laser, nell’ottica e nella fotonica, come fosfuro di indio, wafer epitassiali e arsenico di gallio. È cresciuta notevolmente grazie a numerose acquisizioni nell’ultimo decennio.

Fonte: Coherent

L’azienda ricava il 29 % dei suoi ricavi dai laser, mentre il resto è legato a apparecchiature correlate come fibra ottica, elettronica e strumentazione.

Fonte: Coherent

La presenza dell’azienda in materiali avanzati come i termofotovoltaici (di cui abbiamo discusso in un articolo precedente), carburo di silicio, laser ed elettronica le consente di beneficiare di tendenze strutturali come la crescita della produzione di precisione, della produzione additiva (stampa 3D), dell’elettrificazione e delle energie rinnovabili.

L’azienda ha recentemente separato la sua attività di carburo di silicio in una nuova entità, posseduta al 75 % da Coherent, con il resto posseduto equamente dai suoi partner Mitsubishi Electric (che porta la proprietà intellettuale del carburo di silicio per l’energia) e Denso (che porta la sua attività come fornitore automobilistico nell’elettrificazione e nei semiconduttori di potenza).

2. Corning

Corning è un’azienda di tecnologia manifatturiera e leader nei mercati laser, con un focus su 3 tecnologie core: scienze del vetro, fisica ottica (inclusi i laser) e scienze ceramiche.

Fonte: Corning

Con oltre 50.000 dipendenti, è presente in molti mercati, inclusi le fibre ottiche (ha inventato la prima fibra ottica a bassa perdita nel 1970), la produzione di precisione, vetri di danno e di precisione, le reti wireless e il controllo delle emissioni automobilistiche (ceramica per i convertitori catalitici).

Poiché i laser stessi dipendono da materiali molto puri e vetri realizzati con precisione, esistono molte sinergie tra le diverse tecnologie possedute da Corning.

Nel complesso, l’azienda ha una lunga storia di innovazione di successo nella sua tecnologia core, includendo:

• Vetro resistente al calore PIREX.
• Vetro per LCD.
• Vetro antimicrobico.
• Tecnologia di acquisizione immagini per il telescopio James Webb.
• Lenti di focalizzazione del fascio per la fusione nucleare.

Fonte: Corning

Vende anche molti strumenti basati sui laser, come taglio e lucidatura di vetro e altri materiali fragili.

Fonte: Corning

Lenti avanzate, laser e ceramiche stanno diventando sempre più importanti in ogni tipo di applicazioni ad alta tecnologia, dalla produzione di semiconduttori alle scienze della vita.

L’azienda è presente nell’aerospazio, biotech & farmaceutica, elettronica & display, comunicazione ottica e automotive, oltre a una leadership tecnologica nei suoi settori di nicchia.

Tutti questi settori stanno crescendo rapidamente e diventando sempre più dipendenti da apparecchiature ad alta tecnologia fornite da fornitori specializzati. Pertanto, l’azienda dovrebbe essere in grado di continuare a crescere costantemente e rimanere una forza leader nei suoi molteplici settori.