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拓扑绝缘体将性能突破到波导谐振器系统中

在现有和将来的场景中,波导和谐振器都是电子,光子和声子学中的核心组件。在某些情况下(空间或频率),两个组件之间可能会发生临界耦合,即,在入射波耦合到谐振器之后,没有能量通过波导。由这种现象产生的传输频谱特性对于信号滤波,切换,多路复用,感测等非常有利。但是,在现有机制下,由于耦合不可避免地会发生反向散射,因此临界耦合的出现总是导致输入通道中反射的增加。实践。这些反射会进一步在集成系统中引起通道内和通道间的串扰(噪声),其累积会导致性能大幅下降,甚至导致系统功能快速失效。与电子系统不同,到目前为止,无源集成光子或声子二极管尚未投入实际使用,尽管已进行了许多显着尝试。因此,避免输入反射,特别是在光谱功能设备中,对集成光子或声子电路的进一步发展提出了挑战。

最近,南京大学的Yu及其同事利用拓扑绝缘体(TI)原理设计了一种全新的波导谐振器,解决了上述“输入反射”问题。从根本上来说就是问题。作为本世纪以来凝聚态物理学的一项重大成就,TI材料有望创造出未来的高性能电子产品和计算机,因为在TI边界处自旋为±½的电子在移动时是无损单向传导通过构造人工自旋±½,近年来还提出并创建了光子和声子TI,并提供了革命性的光子和声子波导,其自旋方向锁定在TI边界上。不会产生反向散射,不会出现缺陷,例如制造缺陷或任意弯曲,而不会引起传输能量的任何损失。

在这些理想的波导之后,一个引人深思的应用驱动问题是,是否可以在它们内部实现频谱功能。具体而言,询问是否存在与这些TI波导匹配的谐振器解决方案。一种有效的方法是将TI波导本身包装成闭环,从而在许多声学和光学场景中创建TI环形谐振器,如回音壁。南京大学的研究发现,与传统的环形谐振器不同,TI环形谐振器不可避免地同时支持两种模式,即行波耳语画廊模式(WGM)和分裂驻波模式(SWM)。在TI谐振器中,这两种模式分别支持不同的自旋量子数(±1/2和0),因此需要满足不同的条件才能将关键耦合到TI波导。

当TI-SWM谐振器耦合到TI波导时,由于无自旋SWM(自旋0)可以在TI波导中以正向(自旋+1/2)和后向(自旋-1/2)模式进行转换,即使如果整个系统的初始状态只有一个任意的自旋(+½,0或-½),则最终,所有三个自旋(+ 1 / 2、0和-½)都可以被激发。因此,与传统情况类似,在发生临界耦合时总会有输入反射。有利的是,当TI-WGM谐振器耦合到TI波导时,由于它们都支持相同的自旋,±½锁定在波浪方向上,因此,如果系统的初始状态只有一个自旋,则具有相反自旋的背向反射是即使在临界耦合的情况下也无法被激发。后一种临界耦合特别有利,因为它在遇到以下情况时:1)完全消除了反射和感应噪声,同时保留了所需的传输频谱特性; 2)入射能量完全束缚在谐振器内部,没有通道可以退出,从而导致极高的能量容量/密度。所有这些优点使TI波导谐振器超越了所有常规设计的性能。

该研究为将拓扑绝缘子原理应用于实际设备性能和功能提供了有力的支持。它为集成拓扑光子学和声子学开辟了一条途径,可用于经典和量子区域中的高级信号处理,传感,激光。

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