„Die Ära des ‚Donut-Lichts‘ bricht an: Die Revolution der ‚Lichtwirbel‘ öffnet die Tür zur Hochgeschwindigkeitskommunikation“

Verdrilltes Licht erhöht die "Datenfahrspuren"

Wie ein Wirbel auf der Wasseroberfläche sich drehend fortschreitet, kann auch Licht durch Hinzufügen eines Drehimpulses in Richtung der Fortbewegung zu einem "Lichtwirbel" werden. Da man Modi mit unterschiedlichem OAM als separate "Fahrspuren" multiplexen kann, lässt sich die Informationsmenge, die im gleichen Frequenzband transportiert werden kann, effektiv erweitern. Diese Vision wurde nun nicht nur auf Laborgröße, sondern auf "Chipgröße" näher an die Realität gebracht.Phys.org

Was ist neu: Wirbelerzeugung mit einer Dicke von "einigen µm→ Subwellenlänge"

Traditionelle Lichtwirbelgeneratoren erforderten präzise gefertigte und sperrige Elemente wie Spiralphasenplatten, q-Platten, räumliche Lichtmodulatoren und Metasurfaces. Die neue Methode nutzt die natürliche starke Doppelbrechung von vdW-Materialien, um den "Spin" der zirkular polarisierten Lichtwelle zu invertieren und mit dem "Orbitdrehimpuls" zu koppeln (Spin-Bahn-Kopplung). Nanofertigung ist nicht erforderlich. Ein h-BN von 8 µm demonstrierte Wirbelladungen von ±2, und auch mit MoS₂ von 320 nm gelang die Erzeugung. Zudem wurde mit MoS₂ von 26 µm eine Umwandlungseffizienz von 0,46 erreicht, nahe dem theoretischen Maximum von 0,5.Nature

Technisch gesehen, wenn einfallendes zirkular polarisiertes Licht (LCP/RCP) entlang der anomalen Achse eines Kristalls fortschreitet, unterscheiden sich die Fortbewegungskomponenten aufgrund der Doppelbrechung im Medium, und es wird auf der Austrittsseite in einen zirkular polarisierten Strahl mit entgegengesetzter Drehung und OAM umgewandelt. Es ist, als ob Licht in ein "Spiegelkabinett" eintritt, wo seine Phase verdreht wird und es zu einem Wirbelstrahl mit einem Donut-förmigen Dunkelpunkt wird.Phys.org

Wie "klein und effizient" ist es

Die Arbeit wurde am 18. August 2025 in Light: Science & Applications veröffentlicht. Die Effizienz wurde mit 0,30 für h-BN 8 µm, 0,46 für MoS₂ 26 µm und 0,09 für MoS₂ 320 nm quantifiziert. Numerische Berechnungen deuten darauf hin, dass durch die Umwandlung der Form des einfallenden Strahls in einen Bessel-Strahl eine weitere Miniaturisierung und Effizienzsteigerung möglich ist, theoretisch nahe der Einheit.Nature

Die Bedeutung dieser "Dünne" ist groß. Bisher benötigten ähnliche Prinzipien verwendende Materialien wie Lithiumniobat (LN) oder β-Bariumborat (BBO) aufgrund ihrer geringen Doppelbrechung eine Dicke im Millimeterbereich. Mit vdW-Materialien sind einige µm bis Subwellenlängen möglich. Dies macht die Miniaturisierung, Gewichtsreduktion und Kostensenkung deutlich realistischer.Nature

Horizonte der gesellschaftlichen Implementierung: Kommunikation, Quanten, Sensoren

Lichtwirbel können für jeden Modus (Wirbelladung) unabhängige Datenwege bieten und so zur Kapazitätserweiterung in OAM-Multiplexing für Freiraum-, Satelliten- und Glasfasernetzwerke beitragen. Das Forschungsteam hebt die "Erhöhung der Kompatibilität mit bestehenden Kommunikationstechnologien" und "Effizienzsteigerung" als zukünftige Schwerpunkte hervor. Die universitätsinterne Medienplattform Pursuit betont ebenfalls den "Weg zu schneller und hochsicherer Kommunikation" und zieht die Integration in Satellitenplattformen und Chipinterne Verkabelung in Betracht.Phys.org

Auf der anderen Seite ist OAM auch in der Quantenphotonik wichtig. Es bietet die Möglichkeit, Funktionen mit weniger feiner Bearbeitung der Elemente zu realisieren, z.B. in mehrdimensionalen Quantenstaaten (hochdimensionale QKD, Quantenrouting) oder bei der rauschresistenten Kodierung mit Wirbelmodi. Dies steht im Einklang mit den vielfältigen Entwicklungen des "verdrillten Lichts" in letzter Zeit (z.B. neue Methoden zur geschickten Gestaltung der räumlichen Verteilung von Wirbeln).

Reaktionen in sozialen Netzwerken: Schnelle Verbreitung und erwartungsvolle Stimmen

Kurz nach der Veröffentlichung postete Science X/Phys.org einen Artikel auf Threads. In den Kommentaren wurde die Erwartung geäußert, dass das Erscheinen kleiner und kostengünstiger Lichtwirbelquellen die Implementierung für Satelliten und Basisstationen beschleunigen könnte (Hinweis: Text ist eine Zusammenfassung der Redaktion). Auch in der chinesischsprachigen SNS-Zusammenfassung "Buzzing" wurde der Artikel im Trendbereich platziert, was auf das hohe Interesse in technischen und wissenschaftlichen Gemeinschaften hinweist. Darüber hinaus griff der Blog der Lifeboat Foundation sofort die Kernaussagen der Arbeit (Erzeugung von Wirbelladungen ±2) auf und unterstützte die Diskussion.Lifeboat Foundation

Der wahre Wert und die Grenzen von "keine Nanofabrikation erforderlich"

Stärken

• Keine Nanofabrikation erforderlich: Da die natürliche Doppelbrechung des Materials genutzt wird, lassen sich Fertigungsaufwand und S/N-Verlust durch Fehler leicht reduzieren.Nature

• Ultradünn und leicht: Funktioniert bei 8 µm bis Subwellenlängen. Vorteilhaft für Satelliten, Drohnen und tragbare Geräte.Nature

• Anzeichen hoher Effizienz: 0,46 bei 26 µm MoS₂, nahe des theoretischen Maximums von 0,5.Nature

Herausforderungen

• Kopplung und Ausrichtung: Verluste bei Freiraum⇄Wellenleiter, Unterdrückung von Übersprechen zwischen OAM-Modi.

• Wellenlängenbereich und Materialhomogenität: Optische Konstanten, Defekte und Domänenunregelmäßigkeiten von h-BN/verschiedenen TMDs beeinflussen die Ausbeute.

• Wärme- und Leistungsbeständigkeit: Thermooptische Verschlechterung und Schadensschwellen bei Hochleistungsbetrieb.

• Standardisierung: Standards für OAM-Multiplexing, Integration mit Fehlerkorrektur und MIMO-Verarbeitung.

Positionierung der Forschung: Optik für den Einsatz an Land, auf See und in der Luft

Die Methoden zur Erzeugung von Lichtwirbeln haben sich in den letzten zehn Jahren mit Metasurfaces und anderen Technologien diversifiziert, aber es gibt nicht viele Lösungen, die "dünn, kostengünstig und leicht massenproduzierbar" sind. Generatoren auf Basis von vdW-Materialien sind vielversprechende Kandidaten, die über das "schicke Laborgerät" hinausgehen und die Frage aufwerfen, ob sie in diepraktische Anwendungüberführt werden können. Die Arbeit fasst prägnant die Grundlagen von OAM, die Grenzen bestehender Methoden und die Wirksamkeit der starken Doppelbrechung von vdW-Materialien zusammen.Nature

Zukünftige Schwerpunkte (Checkliste aus praktischer Sicht)

1. Integration von Faser/Wellenleiter: Kann die OAM-Modi ohne Beeinträchtigung in den Chip integriert werden?

2. Breitbandigkeit: Nutzung des breiten Übertragungsbandes von h-BN und der Anisotropie von TMDs für den Mehrwellenlängenbetrieb.Nature

3. Massenproduktionsprozess: Hochskalierung und Dickenkontrolle von CVD/mechanischem Peeling.

4. Systembewertung: Tatsächliche Kanalkapazität, BER/OSNR, Turbulenzbeständigkeit bei FSO im Freien.

5. Sicherheit und Standards: Augensichere Gestaltung und Anpassung an bestehende Standards für Satelliten/Bodenstationen.
   
   
   

Quellen (Hauptinformationen)

• Allgemeine Erklärung (19. August 2025): Phys.org "Ultra-thin materials twist light into optical vortices…"Phys.org

• Originalartikel (18. August 2025): Light: Science & Applications "Spin-orbit coupling in van der Waals materials for optical vortex generation"Nature

• Offizielle Universitätsbeschreibung: Universität Melbourne Pursuit "We’re twisting light to move more data"

• Zusätzliche Informationen (Abstract-DB): PubMed-Seite

Reaktionen in sozialen Netzwerken und im Web (Referenz)

• Threads (Beitrag von Science X/Phys.org)

• Trendplatzierung auf dem chinesischsprachigen SNS-Aggregator "Buzzing"

• Vorstellungspost im Blog der Lifeboat Foundation Lifeboat Foundation