Golfgeleiders en resonatoren zijn kerncomponenten in de elektronica, fotonica, en klanken, zowel in bestaande als toekomstige scenario's. In bepaalde situaties (ruimte of frequentie), kritische koppeling kan optreden tussen de twee componenten, d.w.z., er gaat geen energie door de golfgeleider nadat de inkomende golf in de resonator is gekoppeld. De transmissiespectrale eigenschappen die het gevolg zijn van dit fenomeen zijn zeer voordelig voor signaalfiltering, schakelen, multiplexen, voelen, enz. Echter, volgens het bestaande mechanisme, het optreden van kritische koppelingen leidt altijd tot verhoogde reflectie in het ingangskanaal vanwege de onvermijdelijke terugverstrooiing in de praktijk. Deze reflectie zal verder zowel intra- als interchannel overspraak (ruis) induceren in een geïntegreerd systeem, waarvan de accumulatie de neiging heeft om grote prestatieverminderingen te veroorzaken, of zelfs leiden tot snelle uitval van systeemfuncties. In tegenstelling tot het elektronische systeem, een passieve geïntegreerde fotonische of phononische diode is tot nu toe niet in de praktijk gebruikt, hoewel er veel opmerkelijke pogingen zijn gedaan. Daarom, het vermijden van input reflecties, vooral in spectrale functionele apparaten, vormt een uitdaging voor de verdere ontwikkeling van geïntegreerde fotonische of phononische schakelingen.

Onlangs, Yu en zijn collega's van de Nanjing University hebben een gloednieuwe golfgeleiderresonator ontworpen door gebruik te maken van het principe van topologische isolator (TI), die het bovenstaande probleem van "inputreflectie" fundamenteel oplost. Als een belangrijke prestatie in de fysica van de gecondenseerde materie sinds deze eeuw, TI-materialen zijn veelbelovend om toekomstige hoogwaardige elektronica en computers te creëren, aangezien elektronen met spin ± aan de TI-grenzen verliesloos eenrichtingsgeleiding zijn als ze op een supersnelweg bewegen. Door kunstmatige spin ±½ te construeren, fotonische en fononische TI's zijn de afgelopen jaren ook voorgesteld en gecreëerd, biedt revolutionaire golfgeleiders voor fotonen en fononen met spin-richtingvergrendeling aan de TI-grenzen. Foton/fononentransporten op deze golfgeleiders zijn vrij van terugverstrooiing voor defecten zoals fabricage-imperfecties of willekeurige buigingen, zonder enig verlies aan hun transmissie-energie.

Na deze ideale golfgeleiders, een tot nadenken stemmende toepassingsgestuurde vraag is of spectrale functies daarin kunnen worden geïmplementeerd. specifiek, er wordt gevraagd of er een resonatoroplossing is die past bij deze TI-golfgeleiders. Een effectieve manier is om de TI-golfgeleiders zelf in gesloten lussen te wikkelen, het creëren van TI-ringresonatoren zoals fluistergalerijen in veel akoestische en optische scenario's. Uit het onderzoek aan de Nanjing University bleek dat, in tegenstelling tot conventionele ringresonatoren, een TI-ringresonator ondersteunt onvermijdelijk twee soorten modi tegelijk, d.w.z., lopende-golf-fluistergalerij-modi (WGM's) en gesplitste staande golfmodi (SWM's). In de TI-resonator, deze twee soorten modi ondersteunen verschillende spinkwantumgetallen (±½ en 0), respectievelijk, moeten dus aan verschillende voorwaarden voldoen voor kritische koppeling aan de TI-golfgeleider.

Wanneer een TI-SWM-resonator is gekoppeld aan een TI-golfgeleider, omdat de spinloze SWM (spin 0) kan worden geconverteerd met zowel voorwaartse (met spin +½) als achterwaartse (met spin -½) modi in de TI-golfgeleider, zelfs als de begintoestand van het hele systeem slechts één willekeurige spin heeft (+½, 0, of -½), eventueel, alle drie de spins (+½, 0, en -½) kan opgewonden zijn. Bijgevolg, er is altijd inputreflectie wanneer kritische koppeling optreedt, vergelijkbaar met conventionele scenario's. voordelig, wanneer een TI-WGM-resonator is gekoppeld aan een TI-golfgeleider, omdat beide dezelfde spins ondersteunen ±½ vergrendeld met golfrichting, als de begintoestand van het systeem slechts één spin heeft, dan kunnen terugreflecties met de tegenovergestelde spin niet worden opgewekt, zelfs in het geval van kritische koppeling. De laatste kritische koppeling is met name gunstig omdat wanneer deze voldoet aan:1) reflecties en geïnduceerde ruis volledig worden geëlimineerd terwijl de vereiste spectrale transmissiekarakteristieken behouden blijven en 2) de invallende energie volledig binnen de resonator wordt gebonden zonder kanaal waardoorheen, resulterend in een extreem hoge energiecapaciteit/-dichtheid. Al deze voordelen zorgen ervoor dat de TI-golfgeleider-resonator de prestaties van alle conventionele ontwerpen overtreft.

Dit onderzoek biedt sterke ondersteuning voor het toepassen van het principe van topologische isolatoren op praktische apparaatprestaties en -functionaliteiten. Het opent een weg voor geïntegreerde topologische fotonica en phononics voor bijvoorbeeld, geavanceerde signaalverwerking, voelen, laseren, in zowel klassieke als kwantumgebieden.