Jede Sekunde rauschen unfassbar große Datenmengen durch das weltweite Informationsnetzwerk. Unser ganzes modernes Leben beruht darauf, Informationen in Laserlicht zu codieren, über Glasfaserkabel zu versenden und wieder zu decodieren. Doch die maximal mögliche Übertragungsrate ist begrenzt – bei steigender Nachfrage nach Informationskapazität. Eine Forschungsgruppe an der finnischen Aalto-Universität hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich winzige Lichtwirbel erzeugen lassen, die deutlich mehr Daten auf kleinem Raum speichern und transportieren können als herkömmliche Methoden. Die Wissenschaftler nutzten dazu metallische Nanopartikel, die mit dem elektrischen Feld des Lichts wechselwirken und es in die Form eines Wirbels zwingen. Sie berichten davon im Fachmagazin »Nature Communications«.

Ein solcher Wirbel, fachsprachlich auch Vortex genannt, besteht aus einem Lichtstrahl, bei dem ein ruhiges und dunkles Zentrum wie ein kleiner Hurrikan von einem Ring aus hellem Licht umgeben ist. So wie auch das Auge eines Wirbelsturms ruhig ist, weil die Winde um ihn herum in verschiedene Richtungen wehen, bleibt das Auge des Vortex dunkel, weil das elektrische Feld des Lichts auf verschiedenen Seiten des Strahls in unterschiedliche Richtungen zeigt.

Frühere Forschungsarbeiten haben einen Zusammenhang zwischen der Art der auftretenden Wirbel und der Symmetrie der Struktur, die sie erzeugt, aufgezeigt. Wenn beispielsweise Teilchen im Nanomaßstab in zweidimensionalen Quadraten angeordnet sind, bildet das Licht einen einzelnen Wirbel; Sechsecke erzeugen einen doppelten Wirbel und so weiter. Komplexere Wirbel erfordern mindestens achteckige Formen. Mit der neuen Methode ist es möglich, geometrische Formen zu erzeugen, die theoretisch jede Art von Wirbel hervorbringen.

In ihrer Studie manipulierte die Gruppe 100 000 metallische Nanopartikel, jeder nur etwa ein Hundertstel so groß wie der Durchmesser eines menschlichen Haares. Der Schlüssel lag darin, herauszufinden, wo die Teilchen am wenigsten mit dem gewünschten elektrischen Feld wechselwirkten. »Ein elektrisches Feld hat Stellen mit hoher Vibration und Orte, an denen es im Grunde tot ist. Wir haben Partikel in die toten Punkte eingebracht, was es uns erlaubte, das Feld mit den interessantesten Eigenschaften für unsere Anwendung auszuwählen«, erklärt Jani Taskinen, der an der Forschung beteiligt war, laut einer Pressemitteilung seiner Universität.

Die Entdeckung ist möglicherweise der erste Schritt hin zu einer neuen, leistungsfähigen Art der Informationsübertragung. »Wir könnten diese Wirbel zum Beispiel über Glasfaserkabel verschicken und sie am Zielort wieder auspacken«, sagt Erstautor Kristian Arjas. »Dadurch könnten wir unsere Informationen auf viel kleinerem Raum speichern und viel mehr Daten auf einmal übertragen. Optimistisch geschätzt könnte es das 8- bis 16-Fache dessen sein, was wir heute auf herkömmliche Weise versenden können.« Ungeklärt bleibt dabei jedoch, ob das Glasfaserkabel dazu mit Nanopartikeln präpariert sein muss oder sich die Wirbel ohne viel zusätzlichen Aufwand hindurchsteuern und bewegen lassen.