自由动态调控电磁波是众多应用领域的迫切需求，然而先前实现的大多数机械可重构超表面，由于其结构特性（如晶格常数或超原子）的调谐范围有限，其波控能力受到限制。在此，复旦大学梅永丰教授、崔吉斋、孙树林研究员团队提出了一种基于剪纸旋转变换的机械可重构超表面，其结构单元的晶格常数与局部反射相位可协同控制，从而展现出更大的调谐范围及更强的波控能力。特别是，此类超表面在剪纸旋转变换过程中，其反射相位分布能够连续变化乃至重新形成，成为以预设模式实现可重构波束调控的理想平台。基于此概念，我们设计并制备了两个分别用作微波波束翻转器和波束分束器的剪纸超表面，并通过实验表征了它们的波操控功能。实验结果与全波仿真结果高度吻合。所提出的构想具有高度普适性，可用于实现不同材料/构型或工作于高频段的可重构超表面，以调控电磁波及其他经典波（如声波）。在本工作中，我们提出了一种策略，通过同步操控三个自由度（DoFs）：相位延迟φ、晶格常数Px 和Py（如图1b所示），显著扩展了机械可重构超表面的调谐范围和功能。这使得能够对电磁（EM）响应进行复杂操控，例如波束调控和可重构波前整形。光学几何相位的调整是通过在结构基板变换过程中机械旋转超原子的取向来实现的，这一过程基于精心设计的“旋转方块”（Rotating Square, RS）剪纸图案。当超原子被设计为具有线性或类棋盘格相位分布时，我们实现了分别用作波束翻转器或波束分束器的机械可重构微波超表面，从而展示了全局相位分布的可编程性。远场实验和全波仿真均很好地验证了理论预测。这种构建可重构剪纸超器件的方法，不仅可进一步应用于高频波段，还为诸如磁性超材料和声学超材料等领域的研究开辟了广阔前景。图1：所提出的可重构剪纸超表面示意图。(a)传统的机械可重构超表面：通过基底变形改变晶格常数𝑃𝑥和𝑃𝑦，从而调整异常反射波束的角度𝜃。(b)提出的机械可重构超表面：可同步调控超原子的三个自由度（DoFs）：晶格常数𝑃𝑥、𝑃𝑦和相位延迟𝜑，从而显著扩展反射波束的调谐角度范围𝜃。(c)所采用的“旋转方块”（RS）剪纸图案示意图：该图案由在角部连接的刚性方块面板组成。在整体机械变换过程中，蓝色方块逆时针（CCW）旋转，而红色方块顺时针（CW）旋转。代表任意超原子的表情符号（emoji）随面板一起旋转。𝛽β定义为面板的旋转角度，每个超原子的几何相位变化量Δ𝜑取决于其旋转方向（CW 或 CCW）和入射光的偏振态（：左旋圆偏振 (LCP)；：右旋圆偏振 (RCP)），计算公式为Δ𝜑=±2𝜎𝛽（其中𝜎=+1对应 LCP，𝜎=−1对应 RCP）。𝑃𝑥0,𝑃𝑦0,𝑃𝜌0和𝑃𝑥𝛽,𝑃𝑦𝛽,𝑃𝜌𝛽分别表示沿𝑥、𝑦和𝜌方向在不同变换状态（初始状态和旋转角为𝛽的状态）下的晶格常数。图2：高效率A形超原子的设计。(a) 左图：A形超原子的结构参数。其中，a、b、w、h和ξ分别为6mm、2.1mm、0.4mm、1.5mm 和90°。右图：由2×2超原子组成的刚性面板的顶视照片。比例尺，5mm。(b)当分别受到x偏振和y偏振电磁波垂直照射时，超原子阵列的实验测量和FDTD 仿真反射振幅|r_xx|²、|r_yy|²以及反射相位φ_xx、φ_yy。(c)根据测量和仿真数据提取的超原子偏振转换率 (PCR)。图3：可重构超表面作为波束翻转器的实验演示。(a)–(c)波束翻转器在未展开（β=0°）、中间（β=22.5°）和展开（β=45°）状态下，在1-3平面内展现不同波束偏折效果的示意图。此处，器件在LCP照明情况下所承载的几何相位分布，通过映射在超原子上的颜色表示，其在三种状态下分别满足沿r方向的线性、二元和反线性分布。黄色和蓝色箭头分别代表入射的线偏振 (LP) 波束和异常反射的圆偏振 (CP) 波束。(d)–(f)所制备波束翻转器在三种状态下的光学照片。每张照片上映射的颜色表示器件编码的几何相位分布。比例尺，30 mm。(g)–(i)(i) 实验测量的工作在16 GHz频率下，超表面处于三种状态时，反射波束（RCP）的电场强度分布；(ii) 在 12–17 GHz 频率范围内，三种状态下超表面的反射特性。不同角度处的场强均相对于参考信号进行了归一化；该参考信号定义为：当相同入射波束被与超表面样品尺寸相同的金属平板反射时，在θ_ref处接收到的电场强度。此处，虚线代表异常反射角的理论预测值。这些结果基于旋转方块 (RS) 剪纸变换，展示了可重构的波束偏折效应，包括单波束异常反射、双波束异常反射以及翻转的单波束异常反射。该研究提出了一种基于旋转方块（RS）剪纸变换的机械可重构超表面设计策略，该策略能够同步调制超原子的全部三个自由度（即相位 φ 与晶格常数 Px 和 Py），从而实现可重构的电磁波前调控。作为概念验证，我们设计并制备了两个剪纸超表面（包括一个波束翻转器和一个波束分束器），其功能是目前机械可重构超表面所无法实现的。此外，我们还提出了一种基于旋转方块的可重构超透镜（参见补充图 S12），以证明所提出的剪纸设计概念在可重构波前控制方面的普适性。所提出的剪纸超表面在变换过程中不可避免地会引入气隙，导致非期望的透射模式并降低异常反射效率。为解决此问题，我们探索了一种潜在解决方案：设计级联超表面来补偿气隙引起的透射损耗（数值模拟演示参见补充说明 1）。诚然，该策略为动态超器件的未来发展开辟了广阔方向。对机械超材料的大量研究已经识别出众多源自旋转方块（RS）的剪纸图案[53]，这些图案允许超原子进行可定制的各向异性旋转。值得注意的是，尽管三个自由度之间的关联性难以通过此类变换过程突破，但许多不同的剪纸图案（例如旋转矩形或三角形）仍可为我们提供广阔的设计空间。此外，通过在单个旋转面板上排布不同的超原子来创建超晶胞，可以进一步扩展实现高级光学功能的设计空间。再者，随着微纳加工技术的进步，近年来已实现具有精心设计的切口和连接相邻刚性面板的折痕的微尺度剪纸器件，这使得此类基于剪纸的可重构超表面能够方便地缩小尺寸，从而适用于更高频段的应用。
还需指出的是，方向依赖的物理特性已在各种超材料中得到研究。例如，磁耦合强度强烈依赖于磁偶极子的取向。在电子学领域，覆盖有精心设计的独立电路的超原子，可通过简单旋转使超材料改变其输出信号。声学超材料的最新研究已证明，通过级联超光栅的几何旋转可实现声波的相位调控。因此，我们相信本文提出的策略——利用超原子的剪纸旋转变换来主动调制超材料的整体物理响应——具有在多个研究领域实现更复杂功能的潜力。
原文链接：
https://doi.org/10.1038/s41467-025-56211-3 
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