Guias de ondas e ressonadores são componentes essenciais em eletrônica, fotônica, e fonônica, em cenários existentes e futuros. Em certas situações (espaço ou frequência), o acoplamento crítico pode ocorrer entre os dois componentes, ou seja, nenhuma energia passa pelo guia de ondas depois que a onda de entrada é acoplada ao ressonador. As características espectrais de transmissão resultantes deste fenômeno são altamente vantajosas para a filtragem de sinal, trocando, multiplexação, de detecção, etc. No entanto, sob o mecanismo existente, a ocorrência de acoplamentos críticos sempre leva a um aumento da reflexão no canal de entrada devido ao retrodifusão inevitável na prática. Essa reflexão irá induzir ainda mais a diafonia intra e intercanal (ruído) em um sistema integrado, cujo acúmulo tenderá a gerar grandes degradações de desempenho, ou mesmo resultar em falha rápida das funções do sistema. Ao contrário do sistema eletrônico, um diodo fotônico ou fonônico integrado passivo não foi colocado em uso prático até agora, embora muitas tentativas notáveis ​​tenham sido feitas. Portanto, evitando reflexos de entrada, especialmente em dispositivos funcionais espectrais, representa um desafio para um maior desenvolvimento de circuitos fotônicos ou fonônicos integrados.

Recentemente, Yu e seus colegas da Universidade de Nanjing projetaram um ressonador de guia de ondas totalmente novo usando o princípio de isolante topológico (TI), que resolve o problema de "reflexão de entrada" acima fundamentalmente. Como uma grande conquista na física da matéria condensada desde este século, Os materiais de TI são promissores para criar computadores e eletrônicos de alto desempenho no futuro, já que os elétrons com spin ± ½ nos limites TI são condutores unilaterais sem perdas à medida que se movem em uma superestrada. Ao construir spin artificial ± ½, TIs fotônicos e fonônicos também foram propostos e criados nos últimos anos, oferecendo guias de onda revolucionários para fótons e fônons com bloqueio de direção de spin nos limites TI. Os transportes de fótons / fônons nesses guias de onda são livres de retroespalhamento para defeitos, como imperfeições de fabricação ou curvas arbitrárias, sem quaisquer perdas induzidas à sua energia de transmissão.

Seguindo esses guias de ondas ideais, uma questão instigante, orientada por aplicativos, é se as funções espectrais podem ser implementadas dentro deles. Especificamente, pergunta-se se há uma solução de ressonador que corresponda a esses guias de onda TI. Uma maneira eficaz é envolver os próprios guias de onda TI em loops fechados, criando ressonadores de anel TI como galerias sussurrantes em muitos cenários acústicos e ópticos. A pesquisa da Universidade de Nanjing descobriu que, ao contrário de ressonadores de anel convencionais, um ressonador de anel TI inevitavelmente suporta dois tipos de modos simultaneamente, ou seja, modos de galeria sussurrante de ondas viajantes (WGMs) e modos de onda estacionária dividida (SWMs). No ressonador TI, esses dois tipos de modos suportam diferentes números quânticos de spin (± ½ e 0), respectivamente, portanto, precisa atender a diferentes condições para o acoplamento crítico ao guia de ondas TI.

Quando um ressonador TI-SWM é acoplado a um guia de onda TI, porque o SWM sem spin (spin 0) pode ser convertido nos modos para frente (com spin + ½) e para trás (com spin -½) no guia de onda TI, mesmo que o estado inicial de todo o sistema tenha apenas um spin arbitrário (+ ½, 0, ou -½), eventualmente, todos os três giros (+ ½, 0, e -½) pode ser animado. Consequentemente, sempre há reflexão de entrada quando ocorre o acoplamento crítico, semelhantes aos cenários convencionais. Vantajosamente, quando um ressonador TI-WGM é acoplado a um guia de onda TI, porque ambos suportam os mesmos spins ± ½ bloqueados com a direção da onda, se o estado inicial do sistema tiver apenas um spin, então os reflexos traseiros com o giro oposto não podem ser excitados, mesmo no caso de acoplamento crítico. O último acoplamento crítico é particularmente favorável porque quando atende:1) reflexões e ruído induzido são completamente eliminados enquanto as características espectrais de transmissão necessárias são retidas e 2) a energia incidente é ligada inteiramente dentro do ressonador, sem canal através do qual sair, resultando em uma capacidade / densidade de energia extremamente alta. Todas essas vantagens permitem que o ressonador de guia de onda da TI exceda o desempenho de todos os projetos convencionais.

Esta pesquisa fornece um forte suporte para a aplicação do princípio dos isoladores topológicos para o desempenho prático e as funcionalidades do dispositivo. Ele abre um caminho para fotônica topológica e fonônica integradas para, por exemplo, processamento avançado de sinal, de detecção, lasering, em regiões clássicas e quânticas.