Ydeevnegennembrud af topologisk isolator til et bølgeleder-resonatorsystem

Bølgeledere og resonatorer er kernekomponenter i elektronik, fotonik, og fonetik, både i eksisterende og fremtidige scenarier. I visse situationer (rum eller frekvens), kritisk kobling kan forekomme mellem de to komponenter, dvs. ingen energi passerer gennem bølgelederen, efter at den indkommende bølge er koblet ind i resonatoren. De transmissionsspektrale karakteristika, der er et resultat af dette fænomen, er yderst fordelagtige til signalfiltrering, skifte, multipleksing, fornemmelse, osv. Dog under den eksisterende mekanisme, forekomsten af ​​kritiske koblinger fører altid til øget refleksion i inputkanalen på grund af den uundgåelige tilbagespredning i praksis. Disse refleksioner vil yderligere inducere både intra- og interkanal krydstale (støj) i et integreret system, hvis akkumulering vil have en tendens til at generere store ydeevneforringelser, eller endda resultere i hurtig fejl i systemfunktioner. I modsætning til det elektroniske system, en passiv integreret fotonisk eller fononisk diode hidtil ikke er blevet taget i brug, selvom der er gjort mange bemærkelsesværdige forsøg. Derfor, undgå input refleksioner, især i spektrale funktionelle enheder, udgør en udfordring for videreudvikling af integrerede fotoniske eller foniske kredsløb.

For nylig, Yu og hans kolleger ved Nanjing University har designet en helt ny bølgeleder-resonator ved at bruge princippet om topologisk isolator (TI), som løser ovenstående "input refleksion" problem fundamentalt. Som en stor bedrift inden for kondenseret fysik siden dette århundrede, TI-materialer lover at skabe fremtidig højtydende elektronik og computere, da elektroner med spin ±½ ved TI-grænserne er tabsfri envejsledende, når de bevæger sig på en motorvej. Ved at konstruere kunstigt spin ±½, fotoniske og fononiske TI'er er også blevet foreslået og skabt i de seneste år, tilbyder revolutionerende bølgeledere til fotoner og fononer med spin-retningslåsning ved TI-grænserne. Foton/fonon-transporter på disse bølgeledere er tilbagespredningsfri til defekter såsom fabrikationsfejl eller vilkårlige bøjninger, uden tab forårsaget af deres transmissionsenergi.

Efter disse ideelle bølgeledere, et tankevækkende applikationsdrevet spørgsmål er, om spektrale funktioner kan implementeres inde i dem. Specifikt, der spørges, om der findes en resonatorløsning, der matcher disse TI-bølgeledere. En effektiv måde er at pakke selve TI-bølgelederne ind i lukkede sløjfer, skabe TI-ringresonatorer som hviskende gallerier i mange akustiske og optiske scenarier. Forskningen ved Nanjing University fandt, at i modsætning til konventionelle ringresonatorer, en TI-ringresonator understøtter uundgåeligt to slags tilstande samtidigt, dvs. traveling wave whispering gallery modes (WGMs) og split standing wave modes (SWMs). I TI-resonatoren, disse to slags tilstande understøtter forskellige spin-kvantetal (±½ og 0), henholdsvis, skal således opfylde forskellige betingelser for kritisk kobling til TI-bølgelederen.

Når en TI-SWM-resonator er koblet til en TI-bølgeleder, fordi den spin -uden SWM (spin 0) kan konverteres med både fremad (med spin +½) og bagud (med spin -½) tilstande i TI -bølgelederen, selvom den indledende tilstand af hele systemet kun har ét vilkårligt spin (+½, 0, eller -½), til sidst, alle tre spins (+½, 0, og -½) kan ophidses. Følgelig, der er altid inputrefleksion, når der opstår kritisk kobling, svarende til konventionelle scenarier. Med fordel, når en TI-WGM-resonator er koblet til en TI-bølgeleder, fordi de begge understøtter de samme spins ±½ låst med bølgeretning, hvis den oprindelige tilstand af systemet kun har ét spin, så er tilbagespejlinger med det modsatte spin ikke i stand til at blive ophidset, selv i tilfælde af kritisk kobling. Den sidstnævnte kritiske kobling er særlig gunstig, fordi når den opfylder:1) refleksioner og induceret støj elimineres fuldstændigt, mens de nødvendige transmissionsspektrale karakteristika bibeholdes, og 2) den indfaldende energi er bundet helt inde i resonatoren uden nogen kanal, hvorigennem den kan forlades. resulterer i en ekstrem høj energikapacitet/tæthed. Alle disse fordele gør det muligt for TI-bølgeleder-resonatoren at overgå ydeevnen af ​​alle konventionelle designs.

Denne forskning giver stærk støtte til at anvende princippet om topologiske isolatorer til praktiske enheders ydeevne og funktionaliteter. Det åbner en vej for integreret topologisk fotonik og fononik for f.eks. avanceret signalbehandling, fornemmelse, lasering, i både klassiske og kvanteregioner.