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拓扑绝缘体对浅殓ゆり波导谐振器系统的性能突破

物理学 2022-07-01 23:59:07

中国科学出版社 (左)传统波导谐振器v

s

(右)拓扑绝缘体波导谐振器

在后一种情况下,甚至在临界耦合的情况下,上游反射也从根本上受到抑制

信用:@科学中国出版社 无论是在现有还是未来,波导和谐振器都是电子学、光子学和声子学的核心组件

在某些情况下(空间或频率),两个组件之间会发生临界耦合,即

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在入射波耦合到谐振器中之后,没有能量通过波导

由这种现象产生的透射光谱特性对信号滤波、开关、多路复用、传感等非常有利

然而,在现有机制下,由于实际中不可避免的后向散射,临界耦合的出现总是导致输入信道中反射的增加

这些反射将进一步在集成系统中引起信道内和信道间串扰(噪声),其累积将倾向于产生大的性能降级,甚至导致系统功能的快速失效

与电子系统不同,无源集成光子或声子二极管到目前为止还没有投入实际应用,尽管已经进行了许多引人注目的尝试

因此,避免输入反射,尤其是在光谱功能器件中,对集成光子或声子电路的进一步发展提出了挑战

最近,南京大学的于和他的同事们利用拓扑绝缘体原理设计了一种全新的波导谐振腔,从根本上解决了上述“输入反射”问题

作为本世纪以来凝聚态物理的一项重大成就,钛材料有望创造未来的高性能电子器件和计算机,因为在钛边界自旋的电子在高速公路上运动时是无损单向导电的

通过构造人工自旋,近年来也提出并创造了光子和声子波导,为光子和声子提供了具有自旋方向锁定在自旋方向边界的革命性波导

光子/声子在这些波导上的传输是无后向散射的,不受诸如制造缺陷或任意弯曲等缺陷的影响,不会对其传输能量造成任何损失

遵循这些理想的波导,一个发人深省的应用驱动的问题是光谱功能是否可以在它们内部实现

具体来说,询问是否有匹配这些钛波导的谐振器解决方案

一种有效的方法是将钛波导本身缠绕成闭环,在许多声学和光学场景中创建钛环形谐振器,就像耳语廊一样

南京大学的研究发现,与传统的环形谐振器不同,钛环形谐振器不可避免地同时支持两种模式,即

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行波回音壁模式和分离驻波模式

在钛谐振器中,这两种模式分别支持不同的自旋量子数(和0),因此需要满足与钛波导临界耦合的不同条件

(左)双端口拓扑绝缘体(TI)波导谐振器的照片,黄色虚线表示TI的边界

(右)实验测得的能量场分布在临界耦合时,谐振器中的入射波甚至没有一个通道可以流出,现在谐振器充当了一个完美的能量吸收器

信用:@科学中国出版社 当TI-SWM谐振器耦合到TI波导时,因为无自旋SWM(自旋0)在TI波导中既可以用前向(带自旋+)模式转换,也可以用后向(带自旋-)模式转换,即使整个系统的初始状态只有一个任意的自旋(+,0,或-),最终所有三个自旋(+,0,和-)都可以被激发

因此,当关键耦合发生时,总会有输入反射,类似于传统场景

有利的是,当钛-WGM谐振器耦合到钛波导时,因为它们都支持与波方向锁定的相同自旋,如果系统的初始状态只有一个自旋,那么即使在临界耦合的情况下,也不能激发具有相反自旋的背反射

后一种临界耦合是特别有利的,因为当它满足以下条件时:1)反射和感应噪声被完全消除,同时所需的透射光谱特性被保留,以及2)入射能量完全被限制在谐振器内部,没有通道可以通过,导致极高的能量容量/密度

所有这些优点使得钛波导谐振器的性能超过了所有传统设计

该研究为将拓扑绝缘体原理应用于实际器件性能和功能提供了有力支持

它为e

g

经典和量子领域的高级信号处理、传感、激光

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