Investindo nas Conquistas do Prêmio Nobel – O Potencial dos Lasers

História do Prêmio Nobel

O Prêmio Nobel é a mais prestigiosa premiação no mundo científico. Foi criado de acordo com o testamento do Sr. Alfred Nobel para conceder um prêmio “àqueles que, no ano anterior, trouxeram o maior benefício à humanidade” nas áreas de física, química, fisiologia ou medicina, literatura e paz. Um sexto prêmio seria criado posteriormente para ciências econômicas pelo banco central sueco.

A decisão de a quem atribuir o prêmio cabe a várias instituições acadêmicas suecas.

Preocupações com o Legado

A decisão de criar o Prêmio Nobel surgiu para Alfred Nobel depois que ele leu seu próprio obituário, após um erro de um jornal francês que interpretou mal a notícia da morte de seu irmão. Intitulado “O Mercador da Morte Está Morto”, o artigo francês criticou Nobel por sua invenção de explosivos sem fumaça, dos quais a dinamite era a mais famosa.

Seus inventos foram muito influentes na formação da guerra moderna, e Nobel comprou uma enorme siderúrgica para transformá‑la em um grande fabricante de armamentos. Como ele foi primeiro químico, engenheiro e inventor, Nobel percebeu que não queria que seu legado fosse o de um homem lembrado por ter feito fortuna com a guerra e a morte de outros.

Prêmio Nobel

Hoje, a fortuna de Nobel está guardada em um fundo investido para gerar renda que financia a Fundação Nobel e a medalha verde dourada, o diploma e o prêmio monetário de 11 milhões de coroas suecas (cerca de US$ 1 milhão) concedidos aos vencedores.

Fonte: Britannica

Frequentemente, o dinheiro do Prêmio Nobel é dividido entre vários vencedores, especialmente em áreas científicas onde é comum que 2 ou 3 figuras de destaque contribuam juntas ou em paralelo para uma descoberta revolucionária.

Ao longo dos anos, o Prêmio Nobel se tornou O prêmio científico, tentando equilibrar descobertas teóricas e muito práticas. Ele premiou conquistas que construíram as bases do mundo moderno, como radioatividade, antibióticos, raios X, ou PCR, bem como ciência fundamental como a fonte de energia do sol, a carga do elétron, estrutura atômica, ou superfluidez.

O Potencial dos Lasers

Inventados em 1960, os lasers se tornaram uma sensação no mundo da pesquisa em física quase instantaneamente. Los lasers são feixes coerentes de luz, criando um feixe muito estreito de luz de um único comprimento de onda que não se dispersa ao longo de longas distâncias.

Fonte: Britannica

A criação do próprio laser seria rapidamente recompensada com um Prêmio Nobel, em 1964 a Townes, Nicolay G. Basov e Aleksandr M. Prokhorov  “por trabalho fundamental no campo da eletrônica quântica, que levou à construção de osciladores e amplificadores baseados no princípio laser-maser”.

Isso porque rapidamente ficou evidente que os lasers teriam uma ampla gama de aplicações, desde produção industrial até comunicação.

No entanto, outros cientistas não viam os lasers sob essa perspectiva e, ao contrário, estudaram a tecnologia mais a fundo. E ganharam o Prêmio Nobel de Física em 2018 por suas descobertas.

Arthur Ashkin estudou como um laser poderia ser usado para mover itens microscópicos, usando apenas o “peso” de um feixe de luz. Enquanto isso, Gérard Mourou e Donna Strickland desenvolveram um método para criar pulsos de laser ultra‑rápidos e ultra‑potentes, mas décadas depois ainda não há fim à vista para o quanto essa técnica pode avançar para aumentar a velocidade e potência dos lasers.

Fonte: Nobel Prize

Impulsionando com Luz

Apesar de serem sem peso, os fótons que constituem a luz carregam uma pequena quantidade de energia e, portanto, momento. Em teoria, isso é suficiente para criar movimento sem tocar um objeto.

No entanto, mover objetos com esse efeito é difícil, pois o movimento induzido é muito pequeno. Portanto, na prática, só pode funcionar no espaço (velas solares) ou em objetos microscópicos.

Esta foi a área de pesquisa favorecida por Arthur Ashkin nos Laboratórios Bell. Ele começou a usar esferas transparentes de tamanho micrométrico e confirmou que elas podiam ser empurradas por lasers.

Uma observação surpreendente foi que as esferas eram atraídas pelo centro do feixe de laser, que era o mais forte. Ele descobriu que isso ocorre porque a borda do feixe de laser é mais fraca, mantendo a partícula no centro dele.

Prendendo Partículas com Luz

Foi então que Ashkin teve a descoberta de transformar o laser em pinças que podiam agarrar e mover itens à vontade. Para isso, ele adicionou uma lente à instalação que refocaria o laser de modo que se concentrasse em um ponto específico no espaço. Nesse ponto focal, a partícula é presa, pois a pressão da luz do laser a puxa de volta ao centro.

Fonte: Nobel Prize

Em 1986, esse método chamado “armadilha óptica de força de gradiente de feixe único” foi estabelecido, e logo ficou conhecido de forma mais coloquial como “pinças ópticas”. Ele podia prender partículas que variavam de dezenas de nanômetros a dezenas de micrômetros.

As técnicas rapidamente se tornaram um método importante para prender, manipular e resfriar átomos individuais.

Manipulando Células Vivas à Vontade

Mas Ashkin estava mais focado em seu potencial de manipular seres vivos como vírus e bactérias. Como o laser verde que ele usava até então era muito forte, ele mudou para um laser infravermelho que era muito menos danoso para organismos vivos. Esse método provou rapidamente que podia mover vírus ou bactérias inteiros, bem como empurrar e mover componentes internos das células.

Isso logo levaria à medição da torção criada por um flagelo bacteriano, a força exercida pelos microtúbulos (parte do “esqueleto” da célula) dentro das células, e à manipulação de subcomponentes de células vegetais.

Fonte: Nobel Prize

Avanços adicionais na precisão e nos controles da técnica levariam a ser capaz de manipular componentes tão pequenos quanto um único par de bases de DNA, medir as forças mecânicas da protease (enzima que degrada proteínas) e desenrolar moléculas de RNA.

Novas ideias ainda estão sendo desenvolvidas neste campo da ciência, como pinças ópticas holográficas, que milhares de pinças podem usar simultaneamente.

Um conceito semelhante, usando ondas sonoras em vez de laser (pinças acústicas), também está sendo aperfeiçoado atualmente. Exploramos como isso poderia revolucionar a cirurgia e a medicina em nosso artigo “Entrega Direcionada de Medicamentos Pode Se Beneficiar de Nova Técnica Envolvendo Ondas Sonoras.”

Pulsos de Laser Ultra‑Rápidos

Quando o laser surgiu, os primeiros usos desenvolvidos foram feitos com um feixe de laser contínuo. Mas rapidamente ficou claro que um pulso de alta energia poderia ser mais útil para muitas outras aplicações que exigem a entrega de muita potência quase instantaneamente.

Inicialmente, melhorias foram feitas usando lasers de modo travado, um método que permite aumentar pulsos de nanojoules para o nível de milijoules, um aumento de potência em um milhão de vezes. No entanto, esse progresso estagnou na década de 1970, pois os níveis crescentes de energia estavam danificando os amplificadores usados.

Fonte: Nobel Prize

A única forma de contornar o problema encontrado era usar um feixe de laser com diâmetro maior. Contudo, esses eram caros e estariam disponíveis apenas para alguns institutos nacionais de pesquisa. Além disso, podiam disparar apenas algumas vezes por dia, dificultando severamente a pesquisa que exigia tais pulsos de laser.

Amplificação de Pulsos Desencontrados (CPA) ao Resgate

Estava ficando claro que a tecnologia de pulsos de laser estava estagnando, e com ela, todos os outros programas de pesquisa que dependiam deles. É aqui que Donna Strickland, uma estudante de doutorado, e seu orientador, Gérard Mourou, na Universidade de Rochester nos EUA, ganharam sua parte deste Prêmio Nobel.

A ideia central era primeiro “esticar” o pulso de laser, reduzindo seu pico de potência. Isso significa que ele poderia ser amplificado sem danificar o material do amplificador. Em seguida seria “re‑comprimido” de volta a um pulso curto, aumentando enormemente a potência do pulso além do que era possível antes. A técnica foi chamada Amplificação de Pulsos Desencontrados (CPA).

O conceito era simples, mas sua implementação não. Levou vários anos para que os dois pesquisadores realmente o conseguissem. Eles usaram mais de um quilômetro de fibra óptica e lutaram para sincronizar todos os componentes. Só em 1985 eles conseguiram, e a CPA passou a ser usada para criar pulsos de laser cada vez mais poderosos.

Fonte: Nobel Prize

Aplicações de Pulsos de Laser Ultra‑Rápidos

Observações em Tempo Infinitesimal

Uma das aplicações de pulsos de laser ultracurtos é “iluminar” um alvo por um período muito breve, na ordem de femtossegundo, um milionésimo de um bilionésimo de segundo. Isso torna possível observar fenômenos como reações químicas de moléculas, antes vistas como instantâneas.

Fonte: Nobel Prize

Avanços adicionais estão até mesmo abrindo um novo campo científico, a ciência attossegundo (1/1000^th de um femtossegundo). Com ela, cientistas podem estudar a dinâmica eletrônica dentro de átomos e moléculas, e a matéria na fase condensada pode ser investigada.

Usos Médicos

Esses lasers também são usados para criar aceleração laser‑plasma, acelerando partículas como prótons e elétrons a níveis extremos de energia. Eles podem ser usados para radioterapia, e o uso de lasers permite máquinas pequenas o suficiente para caber em um ambiente hospitalar.

Lasers ultra‑rápidos também são usados para cirurgia ocular, desde a cirurgia LASIK para eliminar a necessidade de óculos até a fotocoagulação para tratar a retinopatia diabética (doenças da retina).

Fonte: Nobel Prize

Ciências dos Materiais

Los lasers podem ser usados para esculpir materiais com grande precisão. No entanto, o problema é que o uso prolongado do laser gera aquecimento rápido do material, o que cria ondas de choque danosas.

Los lasers femtossegundo ainda realizam o esculpimento, mas são curtos o suficiente para não superaquecer, eliminando esse problema.

Fonte: Nobel Prize

Como mencionamos, isso permite o uso de lasers para cirurgia ocular, armazenamento de dados, e fabricação de stents cirúrgicos, cilindros micrométricos de metal estirado inseridos nos vasos sanguíneos do corpo, e outros canais.

Investindo em Tecnologia a Laser

Los lasers estão presentes em inúmeras partes da tecnologia moderna, desde discos ópticos até ferramentas cirúrgicas, impressão 3D, semicondutores, manufatura e sequenciadores genômicos, com um mercado de US$ 17,8 bilhões esperado crescer 7,8% CAGR até 2030.

Você pode ler mais sobre o potencial dos lasers em nosso artigo “Los Lasers Estão Prontos para Desempenhar um Papel Fundamental nas Próximas Décadas à Medida que a Tecnologia Avança“, incluindo novos usos futuros, como em defesa, saúde e fusão nuclear.

Você pode investir em empresas relacionadas a lasers através de várias corretoras, e pode encontrar aqui, em securities.io, nossas recomendações para as melhores corretoras nos Estados Unidos, Canadá, Austrália, Reino Unido, bem como em muitos outros países.

Se você não está interessado em escolher empresas específicas, também pode olhar para ETFs de tecnologia como iShares U.S. Technology ETF (IYW) ou  ProShares Nanotechnology ETF (TINY), mesmo que não exista um ETF dedicado apenas a lasers, o que proporcionará uma exposição mais diversificada para capitalizar nas ações de lasers & tecnologia.

Laser Companies

1. II-VI Marlow / Coherent

A Coherent é um grande conglomerado industrial com mais de 26.000 funcionários e líder em tecnologia a laser, resultante da fusão da avançada material II-VI (COHR ) Marlow com a fabricante de lasers Coherent.

A empresa é especialista em materiais avançados usados em lasers, óptica e fotônica, como fosfeto de índio, wafers epitaxiais e arseneto de gálio. Ela cresceu significativamente graças a múltiplas aquisições na última década.

Fonte: Coherent

A empresa obtém 29% de sua receita de lasers, com o restante ligado a equipamentos associados como fibra óptica, eletrônicos e instrumentação.

Fonte: Coherent

A presença da empresa em materiais avançados como termofotovoltaicos (que discutimos em um artigo anterior), carbeto de silício, lasers e eletrônicos ajuda-a a se beneficiar de tendências estruturais como o crescimento da manufatura de precisão, manufatura aditiva (impressão 3D), eletrificação e energias renováveis.

A empresa separou recentemente seu negócio de carbeto de silício em uma nova entidade, de propriedade 75% da Coherent, com o restante dividido igualmente entre seus parceiros Mitsubishi Electric (que traz propriedade intelectual de potência de carbeto de silício) e Denso (que traz sua atividade como fornecedor automotivo em eletrificação e semicondutores de potência).

2. Corning

A Corning é uma empresa de tecnologia de fabricação e líder nos mercados de lasers, com foco em 3 tecnologias principais: ciências do vidro, física óptica (incluindo lasers) e ciências cerâmicas.

Fonte: Corning

Com mais de 50.000 funcionários, está presente em muitos mercados, incluindo fibras ópticas (inventou a primeira fibra óptica de baixa perda em 1970), manufatura de precisão, vidros de dano e precisão, redes sem fio e controle de emissões automotivas (cerâmica para catalisadores).

Como os próprios lasers dependem de materiais muito puros e vidros fabricados com precisão, há muitas sinergias entre as diferentes tecnologias detidas pela Corning.

No geral, a empresa tem uma longa história de inovação bem‑sucedida em sua tecnologia central, incluindo:

• Vidro resistente ao calor PIREX.
• Vidro para LCD.
• Vidro antimicrobiano.
• Tecnologia de captura de imagem para o telescópio James Webb.
• Lentes de focalização de feixe para fusão nuclear.

Fonte: Corning

Ela também vende muitas ferramentas baseadas em laser, como corte e polimento de vidro e outros materiais frágeis.

Fonte: Corning

Lentes avançadas, lasers e cerâmicas estão se tornando cada vez mais importantes em todo tipo de aplicações de alta tecnologia, desde a fabricação de semicondutores até ciências da vida.

A empresa tem presença nos setores aeroespacial, biotecnologia & farmacêutico, eletrônicos & display, comunicação óptica e automotivo, além de liderança tecnológica em seus nichos.

Todos esses setores estão crescendo rapidamente e tornando‑se cada vez mais dependentes de equipamentos de alta tecnologia fornecidos por provedores especializados. Portanto, a empresa deve ser capaz de continuar crescendo de forma constante e permanecer uma força líder em seus múltiplos setores.