近日，复旦大学材料科学系崔继斋青年研究员、梅永丰教授团队与信息科学与工程学院孙树林研究员、物理系周磊教授团队合作提出了一种新型的机械可重构超构表面设计策略，通过“旋转方块”型剪纸构型引导不同位置处人工微结构（或人工原子）沿着相反方向进行机械旋转，实现了对人工原子三个自由度的有效控制，包括晶格常数（Px，Py）和几何相位（φ），实现了可重构的电磁波功能灵活控制。相关成果以“Abnormal beam steering with kirigami reconfigurable metasurfaces”为题发表于期刊Nature Communications。
超构表面是一类超紧凑、超轻薄、多功能的人工光学器件，由人工微结构（元原子）按照一定几何排列方式构成，已经实现了对电磁波的相位、振幅、偏振以及波前分布等重要性质的任意控制。然而，以往的超构表面大都是被动式器件，也就是说经过设计和加工之后就具有了固定的电磁调控功能。为了满足日益增长的电磁灵活调控需求，可调谐/可重构超构表面逐渐引起研究者关注，能够通过电、热、光、力等手段有效调控超构体系的功能及性能。其中，机械可重构超构表面能够在外力作用下实现几何变形，进而调控其电磁操控功能，具有适用频率广泛、操控调谐简单等优势。然而，传统基于弹性衬底的机械可重构超构表面，通过拉伸、压缩方式对超构表面人工原子的晶格常数（Px，Py）自由度进行小范围改变（例如传输方向、聚焦位置等），因而仅能实现对电磁波的波前进行简单的微调，但是无法对波前形貌达到复杂的重塑目标。
图1. 所提出的可重构剪纸超构表面示意图。
“旋转方块”剪纸构型的超构表面，在加工过程中采用了独特的切缝排布方法，使其在受到全局拉伸或压缩时，相邻正方形格子交替沿着顺时针（CW）或者逆时针（CCW）方向旋转。在此过程中，一方面，固定于正方形格子上的人工原子获得了额外的非均匀几何相位调制；另一方面，整体形变使得晶格常数发生变化。这两者的同步作用使这种剪纸型超构表面上同时实现大范围的波束调谐与波前重构成为可能（图1）。
图2. “A”形元原子的设计。
课题组设计了一种较高效的“A”形亚波长金属谐振单元，通过微波实验证明了所提出的设计策略（图2）。通过对初始相位分布进行设计，研究团队展示了两种剪纸可重构超构表面：第一种使异常反射波束小范围偏折或大幅度翻转（图3），第二种实现反射式分束器的角度控制和功能切换（图4）。利用3D打印及PCB印刷技术制备的样品证明了采用这种设计策略的超构表面能够在变形的同时保持稳定。
图3. 所制备的波束翻转器的实验结果。
在三种不同变形状态下
，波束翻转器的相位分布分别表现为正向梯度型、光栅型和反向梯度型（图3a-f），图中同时展示了理论预测的正向单波束，双向两波束，反向单波束三种电磁调控功能，对实验样品进行的远场角分辨扫描证明了所预期的功能（图3g-i）。
图4. 所制备的可切换分束器的实验结果。
对于可重构分束器，在三种不同的变型状态下的相位分布分别为棋盘格型、相位差较小的棋盘格型和均一型（图4a-f），图中也展示了理论预计的反射波束方向，逐渐从四波束异常反射过度到单波束镜像反射。对实验样品进行的远场角分辨扫描证明了所预期的功能（图4g-i）。
本工作通过基于“旋转方块”的剪纸策略设计的机械可重构超构表面实现了波束翻转、分束聚合等传统机械可重构超构表面难以实现的功能。值得注意的是，所提出的设计策略不仅具有传统力学可重构超构表面的成本低廉、系统简单等优势，还从剪纸构型库中获得了近乎无穷的设计空间，这使其在未来具有丰富的功能拓展潜力。此外，目前的加工技术已经可以实现在微纳尺度下创建剪纸构型，也使得这种方法有望小型化，并应用到太赫兹乃至光波段。
复旦大学材料科学系博士生蒋国邦及信息科学与工程学院硕士汪莹莹为该论文共同第一作者，我院崔继斋青年研究员与信息科学与工程学院孙树林研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、上海市科委、上海市人才计划等项目的支持。
文章信息：
Guobang Jiang#, Yingying Wang#, Ziyu Zhang, Weikang Pan, Yizhen Chen, Yang Wang, Xiangzhong Chen, Enming Song, Gaoshan Huang, Qiong He, Shulin Sun*, Jizhai Cui*, Lei Zhou & Yongfeng Mei, Abnormal beam steering with kirigami reconfigurable metasurfaces. Nature Communications, 2025, 16, 1660.
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56211-3
