Les guides d'ondes et les résonateurs sont des composants essentiels de l'électronique, photonique, et phononique, à la fois dans les scénarios existants et futurs. Dans certaines situations (espace ou fréquence), un couplage critique peut se produire entre les deux composants, c'est à dire., aucune énergie ne traverse le guide d'ondes après que l'onde entrante est couplée dans le résonateur. Les caractéristiques spectrales de transmission résultant de ce phénomène sont très avantageuses pour le filtrage du signal, commutation, multiplexage, sentir, etc. Cependant, dans le cadre du mécanisme existant, l'apparition de couplages critiques conduit toujours à une réflexion accrue dans le canal d'entrée en raison de la rétrodiffusion inévitable en pratique. Ces réflexions induiront en outre une diaphonie (bruit) intra- et intercanal dans un système intégré, dont l'accumulation aura tendance à générer de fortes dégradations de performances, ou même entraîner une défaillance rapide des fonctions du système. Contrairement au système électronique, une diode photonique ou phononique intégrée passive n'a pas encore été mise en pratique, bien que de nombreuses tentatives notables aient été faites. Par conséquent, éviter les réflexions d'entrée, en particulier dans les dispositifs fonctionnels spectraux, pose un défi pour le développement ultérieur de circuits photoniques ou phononiques intégrés.

Récemment, Yu et ses collègues de l'Université de Nanjing ont conçu un tout nouveau guide d'ondes-résonateur en utilisant le principe de l'isolant topologique (TI), qui résout fondamentalement le problème de "réflexion d'entrée" ci-dessus. En tant que réalisation majeure de la physique de la matière condensée depuis ce siècle, Les matériaux TI sont prometteurs pour créer de futurs ordinateurs et électroniques hautes performances, puisque les électrons avec un spin ±½ aux frontières TI sont conducteurs unidirectionnels sans perte lorsqu'ils se déplacent sur une autoroute. En construisant un spin artificiel ±½, Des TI photoniques et phononiques ont également été proposées et créées ces dernières années, offrant des guides d'ondes révolutionnaires pour les photons et les phonons avec verrouillage de la direction du spin aux frontières TI. Les transports de photons/phonons sur ces guides d'ondes sont sans rétrodiffusion à des défauts tels que des imperfections de fabrication ou des courbures arbitraires, sans aucune perte induite sur leur énergie de transmission.

En suivant ces guides d'ondes idéaux, une question axée sur les applications qui suscite la réflexion est de savoir si les fonctions spectrales peuvent être implémentées à l'intérieur de celles-ci. Spécifiquement, il est demandé s'il existe une solution de résonateur qui correspond à ces guides d'ondes TI. Un moyen efficace consiste à envelopper les guides d'ondes TI eux-mêmes dans des boucles fermées, créer des résonateurs en anneau TI comme des galeries de chuchotement dans de nombreux scénarios acoustiques et optiques. La recherche à l'Université de Nanjing a révélé que, contrairement aux résonateurs en anneau conventionnels, un résonateur en anneau TI supporte inévitablement deux types de modes simultanément, c'est à dire., modes de galerie de chuchotement à ondes progressives (WGM) et modes d'ondes stationnaires divisés (SWM). Dans le résonateur TI, ces deux types de modes supportent des nombres quantiques de spin différents (±½ et 0), respectivement, doivent donc répondre à différentes conditions pour un couplage critique au guide d'onde TI.

Lorsqu'un résonateur TI-SWM est couplé à un guide d'onde TI, parce que le SWM sans spin (spin 0) peut être converti avec les modes avant (avec spin +½) et arrière (avec spin -½) dans le guide d'ondes TI, même si l'état initial de l'ensemble du système n'a qu'un seul spin arbitraire (+½, 0, ou -½), finalement, les trois tours (+½, 0, et -½) peuvent être excités. Par conséquent, il y a toujours une réflexion d'entrée lorsqu'un couplage critique se produit, similaire aux scénarios conventionnels. Avantageusement, lorsqu'un résonateur TI-WGM est couplé à un guide d'ondes TI, parce que les deux supportent les mêmes spins ±½ verrouillés avec la direction de l'onde, si l'état initial du système n'a qu'un seul spin, alors les réflexions de retour avec le spin opposé ne peuvent pas être excitées, même en cas de couplage critique. Ce dernier couplage critique est particulièrement favorable car lorsqu'il rencontre :1) les réflexions et le bruit induit sont complètement éliminés tandis que les caractéristiques spectrales de transmission requises sont conservées et 2) l'énergie incidente est entièrement liée à l'intérieur du résonateur sans canal par lequel sortir, résultant en une capacité/densité énergétique extrêmement élevée. Tous ces avantages permettent au guide d'ondes-résonateur TI de dépasser les performances de toutes les conceptions conventionnelles.

Cette recherche fournit un support solide pour l'application du principe des isolants topologiques aux performances et fonctionnalités pratiques des dispositifs. Il ouvre une voie pour la photonique et la phononique topologiques intégrées pour, par exemple, traitement avancé du signal, sentir, laser, dans les régions classiques et quantiques.