光子晶体是一类通过周期性结构调控光传播行为的人工光学体系，在光波导、谐振腔和集成光子器件等领域具有重要应用。随着自适应光子学的发展，可重构光子晶体受到越来越多关注，希望在器件制备完成后仍能动态调节其光学功能。对于拓扑光子晶体而言，要实现不同拓扑状态之间的切换，不仅需要改变能带结构，还需满足特定的对称性要求，因此其可重构调控更具挑战。现有电、热、光或机械调控方法仍受到材料响应、损耗、工作频段或多自由度控制等限制，如何通过简单机械输入实现拓扑状态及其边界态的可编程重构，是该领域的重要问题。
近日，我院崔继斋、梅永丰团队与中山大学物理学院陈晓东、董建文团队合作，提出了一种剪纸驱动的可重构拓扑光子晶体。研究团队将旋转方块剪纸结构与二维拓扑光子晶格相结合，通过单一机械形变驱动能带闭合与重新打开，实现 Wannier 中心迁移和 Zak 相位切换。基于这一机制，团队进一步实现了拓扑角态位置与频率的可重构调控，以及拓扑界面态传播路径的动态切换。相关成果以“Kirigami-actuated reconfigurable topological photonic crystals”为题发表于 Nature Communications杂志。
研究团队首先设计了剪纸形变驱动拓扑相变的基本原理。随着剪纸结构的面内旋转角度α从 0°连续变化至90°，介电柱之间的相对位置发生协同改变，同时始终保持结构所需的镜面对称性。当 α = 45°时，两个能带在 Y 点发生闭合，随后重新打开，并伴随着能带宇称反转；与此同时，Wannier 中心发生半个晶格的迁移，Zak 相位 θy从0量子化跃迁至π。由此，单一的几何旋转即可成为控制拓扑相的机械旋钮，在无需重新加工器件的情况下实现不同拓扑状态之间的可逆切换。
图1：“旋转方块”剪纸驱动拓扑相变示意图。剪纸结构的连续旋转引起能带闭合与重新打开，并驱动 Wannier 中心迁移及 Zak 相位的量子化切换。
研究团队进一步展示了该策略在可编程拓扑光路中的应用。利用三种不同的剪纸单元构建了一个具有单输入端和两个输出端的拓扑界面路由器，并通过不同区域之间的 Zak 相位差决定相应界面通道的“开启”与“关闭”。当 α = 0°时，输入信号主要沿拓扑界面传播至 Output 2；结构旋转至 α = 90°后，原有传播通道被关闭，而另一条界面通道被打开，使信号切换至 Output 1。实验测得的近场分布与数值模拟结果吻合，表明无需改变工作频率，仅通过整体机械形变即可重新编程拓扑光的传播路径。
图2：剪纸可编程拓扑界面路由器。通过整体剪纸形变改变不同区域间的拓扑相位关系，实现两个输出通道之间的可逆切换。
该工作将剪纸结构的运动学约束与拓扑光子学中的量子化拓扑相变相结合，建立了一种从机械形变到拓扑状态的直接转换机制，为利用结构形变编程光子拓扑提供了新的设计范式。与依赖特定材料电、热或光响应的调控方式相比，该策略主要依赖几何结构变化，因而具有较强的材料和频段拓展潜力。随着微纳剪纸、微机电系统及微纳加工技术的发展，该概念未来有望进一步向太赫兹和光学频段拓展，并应用于可重构光学谐振腔、自适应滤波、光学传感、可编程光路及集成拓扑光子器件等领域。论文也指出，现有微纳剪纸加工和可逆驱动技术已为这一策略向微纳尺度发展提供了技术基础。
中山大学物理学院博士生刘墨点和我院博士生蒋国邦为论文共同第一作者，我院崔继斋准聘副教授、梅永丰教授以及中山大学物理学院陈晓东教授、董建文教授为论文共同通讯作者。该工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、广东省基础与应用基础研究基金、广州市科技创新委员会以及上海市青年科技启明星计划等项目的支持。
Mo-Dian Liu#, Guobang Jiang#, Jizhai Cui*, Yongfeng Mei*, Xiao-Dong Chen* & Jian-Wen Dong*, Kirigami-actuated reconfigurable topological photonic crystals. Nature Communications (2026).
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41467-026-77880-8
Kirigami-actuated reconfigurabletopological photonic crystals
Photonic crystals are typically fabricated with a fixed topology, freezing their edge and corner states in space and frequency. Here we introduce a kirigami-actuated reconfigurable topological photonic crystal in which a single in-plane rotation reshapes the unit cell, drives a bandgap closure and reopening, and thereby relocates the Wannier center and switches the associated Zak phase—the topological invariant that determines whether boundary states appear. We engineer a symmetry-preserving square-lattice deformation path that programs the intracell rod configuration into a compact, discrete topological phase library. Using this library, we demonstrate reconfigurable control of topological modes in both resonance frequency and spatial localization from the same mechanical degree of freedom. A higher-order corner mode is switched between two distinct resonance frequencies while its localization moves between different geometric corners. Meanwhile, at a fixed operating frequency, the propagation path of reciprocal crystalline-symmetry-protected edge modes is mechanically rewritten, enabling on/off gating and two-path beam routing. These results establish a route toward reconfigurable topological photonic devices, showing that quantized band topology can be encoded and switched by shape.
审核：黄高山、陈相仲