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，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表面性能。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，进而调控超构表面性质，具有工作频率广泛、操控简单等优势。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元原子的晶格常数（Px，Py）自由度进行小范围改变，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。
近日，我院崔继斋青年研究员、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”型剪纸构型引导每个元原子各向异性机械旋转，实现对元原子的所有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。
“旋转方块”剪纸构型的独特切缝排布使其在受到全局拉伸或压缩时，相邻正方形格子交替旋转。在此过程中，一方面，固定于正方形格子上的金属谐振单元（即元原子）获得额外几何相位；另一方面，整体形变使得晶格常数发生变化（图1a）。这两者的同步作用使在单个机械可重构超构表面上同时实现大范围的波束调谐与波前整形成为可能（图1b, c）。
图1 “旋转方块”剪纸超构表面功能示意图。（a）“旋转方块”剪纸的整体拉伸带动元原子各向异性旋转，改变其相对几何相位。（b）剪纸超构表面实现异常反射波束的翻转。（c）剪纸超构表面实现分束器与镜面反射器的功能切换。
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，第二种实现反射式分束器的角度控制和功能切换。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的超构表面能够在变形的同时保持稳定，并具有较高效率（图2）。
图1 所制备的剪纸超构表面与测试结果。（a）波束翻转器样品在三种变形状态下的照片。（b）波束翻转器在三种变形状态下的远场测试结果。（c）分束器样品在三种变形状态下的照片。（d）分束器在三种变形状态下的远场测试结果。
值得注意的是，该方法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。
复旦大学智慧纳米机器人与纳米系统国际研究院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.
文章链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56211-3
Abnormal beam steering with kirigami reconfigurable metasurfaces
Dynamically controlling electromagnetic waves at will is highly desired in many applications, but most previously realized mechanically reconfigurable metasurfaces are of restricted wave-control capabilities due to the limited tuning ranges of structural properties (e.g., lattice constant or meta-atoms). Here, we present mechanically reconfigurable metasurfaces in which both lattice constants and local reflection phases of constitutional meta-atoms can be synchronously controlled based on the kirigami rotation transformation, thereby exhibiting extended tuning ranges and thus wave-control capabilities. In particular, such metasurfaces can exhibit continuously varied and even re-formed reflection-phase profiles along with the kirigami rotation transformation, serving as ideal platforms to achieve reconfigurable beam steering in pre-designed manners. Using this concept, we design and fabricate two kirigami metasurfaces, working as a beam flipper and as a beam splitter for microwaves, respectively, and experimentally characterize their wave-manipulation functionalities. Experimental results are in good agreement with full-wave simulations. The proposed idea is so general that it can be applied to realize reconfigurable metasurfaces with different materials/configurations or in high frequency regimes, for controlling electromagnetic waves and other classical waves (e.g., acoustic waves).
Article information:
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.
Article link:
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56211-3