Guide d'onda e risonatori sono componenti fondamentali dell'elettronica, fotonica, e fononica, sia in scenari attuali che futuri. In determinate situazioni (spazio o frequenza), accoppiamento critico può verificarsi tra i due componenti, cioè., nessuna energia passa attraverso la guida d'onda dopo che l'onda in arrivo è stata accoppiata al risonatore. Le caratteristiche spettrali di trasmissione risultanti da questo fenomeno sono molto vantaggiose per il filtraggio del segnale, commutazione, multiplexing, rilevamento, ecc. Tuttavia, nell'ambito del meccanismo esistente, il verificarsi di accoppiamenti critici porta sempre ad un aumento della riflessione nel canale di ingresso a causa dell'inevitabile backscattering in pratica. Queste riflessioni indurranno ulteriormente diafonia (rumore) sia intra che intercanale in un sistema integrato, il cui accumulo tenderà a generare grandi degradi prestazionali, o addirittura provocare un rapido guasto delle funzioni del sistema. A differenza del sistema elettronico, un diodo fotonico o fononico integrato passivo non è stato finora messo in pratica, anche se sono stati fatti molti tentativi notevoli. Perciò, evitando riflessioni in ingresso, soprattutto nei dispositivi funzionali spettrali, rappresenta una sfida per l'ulteriore sviluppo di circuiti fotonici o fononici integrati.

Recentemente, Yu e i suoi colleghi della Nanjing University hanno progettato un nuovissimo risonatore a guida d'onda utilizzando il principio dell'isolatore topologico (TI), che risolve fondamentalmente il problema della "riflessione dell'input" di cui sopra. Come un risultato importante nella fisica della materia condensata da questo secolo, I materiali TI promettono di creare futuri dispositivi elettronici e computer ad alte prestazioni, poiché gli elettroni con spin ±½ ai confini TI sono conduttori unidirezionali senza perdite mentre si muovono su una superstrada. Costruendo spin artificiale ±½, Negli ultimi anni sono state proposte e create anche TI fotoniche e fononiche, offrendo guide d'onda rivoluzionarie per fotoni e fononi con blocco della direzione di spin ai confini TI. I trasporti di fotoni/fononi su queste guide d'onda sono privi di retrodiffusione di difetti come imperfezioni di fabbricazione o curve arbitrarie, senza perdite indotte alla loro energia di trasmissione.

Seguendo queste guide d'onda ideali, una domanda stimolante basata sull'applicazione è se le funzioni spettrali possono essere implementate al loro interno. Nello specifico, viene chiesto se esiste una soluzione di risonatore che corrisponda a queste guide d'onda TI. Un modo efficace è avvolgere le guide d'onda TI stesse in anelli chiusi, creando risonatori ad anello TI come gallerie sussurrate in molti scenari acustici e ottici. La ricerca presso l'Università di Nanchino ha scoperto che, a differenza dei risonatori ad anello convenzionali, un risonatore ad anello TI supporta inevitabilmente due tipi di modalità contemporaneamente, cioè., modalità sussurro-galleria ad onda viaggiante (WGM) e modalità a onde stazionarie divise (SWM). Nel risonatore TI, questi due tipi di modalità supportano diversi numeri quantici di spin (±½ e 0), rispettivamente, quindi devono soddisfare diverse condizioni per l'accoppiamento critico alla guida d'onda TI.

Quando un risonatore TI-SWM è accoppiato a una guida d'onda TI, poiché l'SWM senza spin (spin 0) può essere convertito con entrambe le modalità avanti (con spin +½) e indietro (con spin -½) nella guida d'onda TI, anche se lo stato iniziale dell'intero sistema ha un solo spin arbitrario (+½, 0, o -½), infine, tutti e tre i giri (+½, 0, e -½) può essere eccitato. Di conseguenza, c'è sempre riflessione in ingresso quando si verifica un accoppiamento critico, simile a scenari convenzionali. vantaggiosamente, quando un risonatore TI-WGM è accoppiato a una guida d'onda TI, perché entrambi supportano gli stessi spin ±½ bloccati con la direzione dell'onda, se lo stato iniziale del sistema ha un solo spin, quindi le riflessioni posteriori con lo spin opposto non possono essere eccitate, anche in caso di accoppiamento critico. Quest'ultimo accoppiamento critico è particolarmente favorevole perché quando incontra:1) riflessioni e rumore indotto vengono completamente eliminati mantenendo le caratteristiche spettrali di trasmissione richieste e 2) l'energia incidente viene confinata interamente all'interno del risonatore senza alcun canale di uscita, risultando in una capacità/densità energetica estremamente elevata. Tutti questi vantaggi consentono al risonatore a guida d'onda TI di superare le prestazioni di tutti i progetti convenzionali.

Questa ricerca fornisce un forte supporto per l'applicazione del principio degli isolanti topologici alle prestazioni e alle funzionalità pratiche dei dispositivi. Apre una strada per la fotonica e la fononica topologiche integrate per es. elaborazione avanzata del segnale, rilevamento, laser, sia nelle regioni classiche che in quelle quantistiche.