Nobel Ödülü Başarılarına Yatırım – Lazerlerin Potansiyeli

Nobel Ödülü Tarihi

Nobel Ödülü, bilim dünyasındaki en prestijli ödüldür. Alfred Nobel’in vasiyeti gereği “geçen yıl boyunca insanlığa en büyük faydayı sağlayanlara” fizik, kimya, fizyoloji ya da tıp, edebiyat ve barış dallarında bir ödül vermek” amacıyla oluşturulmuştur. Daha sonra İsveç merkez bankası tarafından ekonomi bilimleri için altıncı bir ödül daha eklenmiştir.

Ödülün kime verileceği kararı, çeşitli İsveç akademik kurumlarına aittir.

Miras Endişeleri

Nobel Ödülü’nün yaratılma kararı, Alfred Nobel’in kendi ölüm ilanını okumasının ardından ortaya çıktı; bu, kardeşinin ölüm haberini yanlış anlayan bir Fransız gazetesinin yaptığı bir hataydı. “Ölümün Tüccarı Öldü” başlıklı Fransız makalesi, Nobel’i duman çıkarmayan patlayıcıları, en ünlüsü dinamit, icadı nedeniyle eleştirmişti.

İcatları modern savaşın şekillenmesinde çok etkili oldu ve Nobel, büyük bir demir ve çelik fabrikasını satın alarak bunu büyük bir silah üreticisine dönüştürdü. Kimyager, mühendis ve mucit olarak, savaş ve başkalarının ölümünden büyük bir servet elde eden bir adam olarak hatırlanmak istemediğini fark etti.

Nobel Ödülü

Günümüzde Nobel’in serveti, Nobel Vakfı ve altın kaplamalı yeşil altın madalya, diploma ve kazananlara verilen 11 milyon SEK (yaklaşık 1 Milyon $) tutarındaki para ödülünü finanse etmek için yatırım yapılan bir fona konulmuştur.

Kaynak: Britannica

Genellikle Nobel Ödülü parası, özellikle bilim alanlarında birden fazla kazanan arasında bölüştürülür; çünkü çığır açan bir keşfe iki ya da üç önde gelen figürün paralel ya da birlikte katkıda bulunması yaygındır.

Yıllar içinde Nobel Ödülü, THE bilim ödülü haline gelmiş, teorik ve çok pratik keşifler arasında bir denge kurmaya çalışmıştır. Modern dünyanın temellerini oluşturan başarıları ödüllendirmiştir; örneğin radyoaktivite, antibiyotikler, X-ışınları ya da PCR, ayrıca güneşin enerji kaynağı, elektron yükü, atomik yapı ve süperakışkanlık gibi temel bilimleri de ödüllendirmiştir.

Lazerlerin Potansiyeli

1960 yılında icat edilen lazerler, fizik araştırmaları dünyasında neredeyse anında bir sansasyon yarattı. Lazerler, tek bir dalga boyuna sahip çok dar bir ışık demeti oluşturan koherent ışık ışınlarıdır ve uzun mesafelerde dağılmazlar.

Kaynak: Britannica

Lazerin kendisinin yaratılması 1964 yılında Townes, Nicolay G. Basov ve Aleksandr M. Prokhorov’a Nobel ödülüyle çok hızlı bir şekilde ödüllendirilecekti “kuantum elektroniği alanındaki temel çalışmaları nedeniyle, lazer-maser prensibi üzerine kurulu osilatör ve amplifikatörlerin inşasına yol açtığı” için.

Bu, lazerlerin endüstriyel üretimden iletişime kadar çok çeşitli uygulamalara sahip olacağı çok çabuk anlaşıldığı içindir.

Bununla birlikte, diğer bilim insanları lazerleri bu açıdan görmediler ve teknolojiyi daha derinlemesine incelediler. Ve keşifleriyle 2018 yılında Fizik Nobel Ödülü’nü kazandılar.

Arthur Ashkin, yalnızca bir ışık demetinin “ağırlığı” ile mikroskobik nesneleri hareket ettirebileceğini inceledi. Bu arada Gérard Mourou ve Donna Strickland, ultra-hızlı ve ultra-güçlü lazer darbeleri yaratma yöntemini geliştirdi; ancak on yıllar sonra bu tekniğin lazerlerin hızını ve gücünü artırma konusunda ne kadar ileri gidebileceği konusunda bir son görülmemektedir.

Kaynak: Nobel Ödülü

Işıkla İtme

Ağırlıksız olmalarına rağmen, ışığı oluşturan fotonlar az bir enerji ve dolayısıyla momentum taşır. Teorik olarak, bu bir nesneyi dokunmadan hareket ettirmek için yeterlidir.

Bu etkiyle nesneleri hareket ettirmek zor olsa da, indüklenen hareket çok küçüktür. Bu yüzden pratikte yalnızca uzayda (güneş yelkenleri) ya da mikroskobik nesneler üzerinde çalışabilir.

Bu, Arthur Ashkin’in Bell Laboratuvarları’nda tercih ettiği araştırma alanıydı. Mikrometre boyutunda şeffaf küreler kullanmaya başladı ve bunların lazerlerle itilebileceğini doğruladı.

Şaşırtıcı bir gözlem, kürelerin lazer ışınının en güçlü olduğu merkeze çekildiği oldu. Bunun, lazer ışınının kenarının daha zayıf olması ve parçacığı merkeze tutması nedeniyle olduğu ortaya çıktı.

Işıkla Parçacıkları Tuzaklamak

Ashkin, lazeri istediği gibi nesneleri yakalayıp hareket ettirebilen bir pensel haline getirme atılımını burada yaptı. Bunu yapmak için, lazeri yeniden odaklayarak belirli bir noktada yoğunlaştıran bir lens ekledi. Bu odak noktasında, lazer ışığının baskısı parçacığı merkeze geri çektiği için parçacık tuzaklanır.

Kaynak: Nobel Ödülü

1986 yılına gelindiğinde, “tek ışınlı gradyan kuvveti optik tuzağı” olarak adlandırılan bu yöntem kurulmuş ve kısa sürede daha gündelik “optik penseler” olarak bilinmeye başlamıştır. Onlar, on nanometreden on mikrometreye kadar değişen parçacıkları tuzaklayabilir.

Teknikler, bireysel atomları tuzaklamak, manipüle etmek ve soğutmak için büyük bir yol haline geldi.

Canlı Hücreleri İstediği Gibi Manipüle Etmek

Ancak Ashkin, virüs ve bakteri gibi canlıları manipüle etme potansiyeline daha çok odaklandı. Şimdiye kadar kullandığı yeşil lazer çok güçlüydü, bu yüzden daha az zararlı bir kızılötesi lazer kullandı. Bu yöntem, tüm virüsleri ya da bakterileri hareket ettirebildiği gibi hücrelerin iç bileşenlerini itip itebildiğini hızla kanıtladı.

Bu, bir bakteri flagelumu tarafından oluşturulan torkun ölçülmesi, hücre içindeki mikrotübüllerin (hücrenin “iskeleti” kısmı) uyguladığı kuvvet ve bitki hücrelerinin alt bileşenlerinin manipülasyonu gibi çalışmalara yol açtı.

Kaynak: Nobel Ödülü

Teknik hassasiyeti ve kontrollerindeki ilerlemeler, DNA’nın tek bir baz çifti kadar küçük bileşenleri manipüle edebilme, proteaz (proteinleri parçalayan enzim) mekanik kuvvetlerini ölçme ve RNA moleküllerini açma imkânı sağladı.

Bu alanda hâlâ geliştirilen yeni fikirler vardır; örneğin holografik optik penseler, binlerce penselin aynı anda kullanılabildiği bir sistem.

Ses dalgalarını (akustik penseler) kullanan benzer bir kavram da şu anda mükemmelleştirilmektedir. Bu konuyu “Ses Dalgalarını İçeren Yeni Bir Teknikle Hedefe Yönelik İlaç Dağıtımı Fayda Sağlayabilir” başlıklı makalemizde inceledik.

Ultra-Hızlı Lazer Darbeleri

Lazer ortaya çıktığında, ilk kullanılan yöntemler sürekli bir lazer ışını ile yapılmıştır. Ancak çok kısa sürede, yüksek enerjili bir darbenin, anlık olarak çok büyük bir güç teslimatı gerektiren birçok uygulama için daha faydalı olabileceği anlaşıldı.

İlk olarak, mod kilitli lazerler kullanılarak iyileştirmeler yapıldı; bu yöntem nanojoule darbelerini milijoule seviyesine, yani bir milyon kat güç artışına çıkarmayı sağladı. Ancak bu ilerleme 1970’lerde durakladı; çünkü artan enerji seviyeleri amplifikatörleri zarar veriyordu.

Kaynak: Nobel Ödülü

Bu sorunun üstesinden gelmenin tek yolu, daha büyük çapta bir lazer ışını kullanmaktı. Ancak bunlar pahalıydı ve yalnızca birkaç ulusal araştırma enstitüsüne erişilebiliyordu. Ayrıca günde sadece birkaç atış yapabiliyorlardı, bu da bu tür lazer darbelerine ihtiyaç duyan araştırmaları ciddi şekilde kısıtlıyordu.

Kırpılmış Darbe Amplifikasyonu (CPA) Yardımcı

Lazer darbesi teknolojisinin durakladığı ve bununla birlikte bu teknolojiye bağlı tüm araştırma programlarının da durakladığı açıktı. Burada, ABD Rochester Üniversitesi’nde doktora öğrencisi Donna Strickland ve danışmanı Gérard Mourou, bu Nobel Fizik Ödülü’nün bir kısmını kazanacaklardı.

Temel fikir, lazer darbesini önce “germe” (stretch) ederek tepe gücünü azaltmaktı. Bu, amplifikatör malzemesini zarar vermeden yükseltebilmesini sağladı. Ardından darbe “yeniden sıkıştırılarak” (re-compressed) kısa bir darbe hâline getirildi ve bu, darbenin gücünü daha önce mümkün olmayan seviyelere çıkardı. Bu teknik “Kırpılmış Darbe Amplifikasyonu (CPA)” olarak adlandırıldı.

Kavram basitti, ancak uygulanması değildi. İki araştırmacının bunu başarması birkaç yıl sürdü. Bir kilometreden fazla optik fiber kullandılar ve tüm bileşenleri senkronize etmekte zorlandılar. 1985’te sonunda başardılar ve CPA, daha da güçlü lazer darbeleri yaratmak için kullanılmaya başlandı.

Kaynak: Nobel Ödülü

Ultra-Hızlı Lazer Darbeleri Uygulamaları

İnfinitezimal Zaman Gözlemleri

Ultra-kısa lazer darbelerinin bir uygulaması, bir hedefi femtosaniye (bir milyarda bir saniyenin bir milyonda biri) mertebesinde çok kısa bir süre “aydınlatmak”tır. Bu, daha önce anlık olarak görülen moleküler kimyasal reaksiyonların gözlemlenmesini mümkün kılar.

Kaynak: Nobel Ödülü

İlerleyen gelişmeler, attosaniye bilimi (femtosaniyenin 1/1000’i) gibi tamamen yeni bir bilim dalını açmaktadır. Bu sayede bilim insanları, atomlar içindeki elektron dinamiklerini ve moleküller ve yoğun fazdaki maddeyi inceleyebilmektedir.

Tıbbi Kullanımlar

Bu lazerler ayrıca lazer-plazma ivmesi yaratmak için kullanılır; proton ve elektron gibi parçacıkları aşırı enerji seviyelerinde hızlandırır. Bu parçacıklar radyoterapi için kullanılabilir ve lazerler sayesinde hastane ortamına sığacak kadar küçük makineler üretilebilir.

Ultra-hızlı lazerler göz ameliyatında da kullanılır; gözlük ihtiyacını ortadan kaldıran LASIK ameliyatından diyabetik retinopatiyi tedavi eden fotokoagülasyona kadar.

Kaynak: Nobel Ödülü

Malzeme Bilimleri

Lazerler, malzemeleri çok hassas bir şekilde oymak için kullanılabilir. Ancak sorun, lazerin uzun süreli kullanımının malzemeyi hızlı bir şekilde ısıtması ve zarar verici şok dalgaları oluşturmasıdır.

Femtosaniye lazerler hâlâ oymayı gerçekleştiriyor ancak aşırı ısınmayacak kadar kısadır, bu sorunu ortadan kaldırır.

Kaynak: Nobel Ödülü

Daha önce de belirttiğimiz gibi, bu durum lazerlerin göz ameliyatı, veri depolama, ve cerrahi stentlerin (vücudun kan damarlarına ve diğer kanallara yerleştirilen, çekilmiş metal mikrometre boyutlu silindirler) üretimi gibi uygulamalarda kullanılmasını sağlar.

Lazer Teknolojisine Yatırım

Lazerler, optik disklerden cerrahi aletlere, 3D baskıdan yarı iletkenlere, üretimden genom sekanslayıcılara kadar modern teknolojinin sayısız parçasında bulunur, 2023 itibarıyla 17,8 Milyar $ pazarın 2030’a kadar %7,8 CAGR ile büyümesi bekleniyor.

Daha fazla lazer potansiyeli hakkında Lazerler Önümüzdeki On Yıllarda Teknolojinin İlerlemesiyle Kritik Bir Rol Oynayacak başlıklı makalemizi okuyabilirsiniz; savunma, sağlık ve nükleer füzyon gibi gelecekteki yeni kullanım alanları da dahil.

Lazerle ilgili şirketlere birçok aracı kurum üzerinden yatırım yapabilirsiniz ve securities.io sitesinde, ABD, Kanada, Avustralya, Birleşik Krallık ve diğer birçok ülke için en iyi broker önerilerimizi bulabilirsiniz.

Belirli şirketleri seçmek istemiyorsanız, iShares U.S. Technology ETF (IYW) ya da ProShares Nanotechnology ETF (TINY) gibi teknoloji ETF’lerine de bakabilirsiniz; özel bir lazer‑only ETF bulunmasa da bu fonlar, lazer ve teknoloji hisselerine daha çeşitlendirilmiş bir maruziyet sağlayacaktır.

Lazer Şirketleri

1. II-VI Marlow / Coherent

Coherent, 26.000’den fazla çalışanı olan büyük bir endüstriyel konglomera olup, II-VI (COHR ) Marlow adlı ileri malzeme şirketi ile lazer üreticisi Coherent’in birleşmesi sonucunda lazer teknolojisinde lider konuma gelmiştir.

Şirket, indiyum fosfit, epitaksiyel waferlar ve galyum arsenid gibi lazer, optik ve fotoniklerde kullanılan ileri malzemelerde uzmandır. Son on yılda bir dizi satın alma sayesinde büyük ölçüde büyümüştür.

Kaynak: Coherent

Şirket, gelirlerinin %29’unu lazerden elde eder; geri kalan kısmı optik fiber, elektronik ve enstrümantasyon gibi ilgili ekipmanlardan gelir.

Kaynak: Coherent

Şirketin termofotovoltaikler (daha önceki bir makalemizde tartıştığımız), silikon karbür, lazer ve elektronik gibi ileri malzemelerdeki varlığı, hassas üretim, eklemeli üretim (3D baskı), elektrifikasyon ve yenilenebilir enerji gibi yapısal trendlerden faydalanmasını sağlar.

Şirket, silikon karbür işini %75’i Coherent’e ait yeni bir varlık olarak ayırmış; geri kalan %25’i ise Mitsubishi Electric (silikon karbür güç IP’si) ve Denso (elektrifikasyon ve güç yarı iletkenleri konusunda otomotiv tedarikçisi) ortaklarıyla eşit şekilde paylaşmaktadır.

2. Corning

Corning, üretim teknolojisi şirketi ve lazer pazarlarında lider konumda olup, üç temel teknolojiye odaklanır: cam bilimleri, lazer dahil optik fizik ve seramik bilimleri.

Kaynak: Corning

50.000’den fazla çalışanı ile optik fiber (1970’te ilk düşük kayıplı optik fiberi icat etti), hassas üretim, hasar ve hassas camlar, kablosuz ağlar ve otomotiv emisyon kontrolü (katalitik konvertörler için seramik) gibi birçok pazarda yer almaktadır.

Lazerler, çok saf malzemeler ve hassas işlenmiş camlar gerektirdiği için Corning’in sahip olduğu farklı teknolojiler arasında çok sayıda sinerji bulunmaktadır.

Genel olarak şirket, çekirdek teknolojilerinde başarılı yenilik geçmişine sahiptir; bunlar:

• Isıya dayanıklı cam PIREX.
• LCD cam.
• Antimikrobiyal cam.
• James Webb teleskobu için görüntü yakalama teknolojisi.
• Nükleer füzyon için ışın odaklama lensleri.

Kaynak: Corning

Ayrıca cam ve diğer kırılgan malzemelerin kesimi ve parlatılması gibi birçok lazer tabanlı aracı da satmaktadır.

Kaynak: Corning

İleri lensler, lazerler ve seramikler, yarı iletken üretiminden yaşam bilimlerine kadar tüm yüksek teknoloji uygulamalarında giderek daha önemli hâle gelmektedir.

Şirket, uzay, biyoteknoloji & ilaç, elektronik & ekran, optik iletişim ve otomotiv gibi sektörlerde varlık göstermekte ve nişlerinde teknolojik liderlik konumunu sürdürmektedir.

Tüm bu sektörler hızla büyümekte ve yüksek teknoloji ekipmanlarını özel sağlayıcılardan temin eden bir altyapıya giderek daha fazla bağımlı hâle gelmektedir. Bu nedenle şirket, istikrarlı bir şekilde büyümeye devam edebilecek ve çoklu sektörlerinde öncü bir güç olarak kalabilecektir.