南京大学声学研究所邹欣晔、程建春团队主导，联合东南大学、法国洛林大学 Jean Lamour 研究所合作完成，通讯作者为邹欣晔、程建春与 Badreddine Assouar，成果发表于Physical Review Letters。团队首次借助合成轨道设计策略，在三维声学 Su-Schrieffer-Heeger 模型中引入简并 p 轨道，成功实验实现具备大多极手性数的三维 Z 分类高阶拓扑绝缘体，观测到每个角点的三重简并拓扑角态，揭示轨道选择性驱动的拓扑相变与角态隧穿新机制，无需依赖长程跳跃即可实现高简并拓扑保护，为三维高阶拓扑物理的实验研究与多功能声学集成器件开发奠定核心基础。高阶拓扑绝缘体将体 - 边对应拓展至体 - 边 - 角层次，Z 分类高阶拓扑绝缘体因多极手性数保护的多重简并零能角态，成为量子启发器件的理想载体。当前二维体系已实现多极手性数大于 1 的 Z 分类高阶拓扑相，但三维体系的实验实现长期悬而未决，核心瓶颈在于传统方案需严苛的长程跳跃耦合，难以在实际材料与超构结构中实现。轨道自由度作为凝聚态体系的本征维度，已在二维轨道型拓扑模型中展现出调控拓扑态的独特能力，但其能否突破长程跳跃限制、构建三维 Z 分类高阶拓扑相，仍是亟待解决的关键科学问题。
研究构建基于简并 p 轨道的三维声学 Su-Schrieffer-Heeger 模型，以声学谐振腔模拟原子，腔中支持三重简并偶极共振模式，对应原子 p 轨道。该轨道体系天然产生三种各向异性耦合方式：沿键轴正向的 σ 键耦合、垂直于键轴的强 π 键耦合与弱 π 键耦合，三种耦合强度可通过连接谐振腔的耦合管几何参数独立精准调控，为轨道选择性拓扑调控提供硬件基础。三维声学超构单元胞由八个子晶格构成，通过设计胞内与胞间耦合管的排布方式，使不同 p 轨道分量在正交空间方向呈现差异化耦合类型，形成具备手性对称性的三维拓扑晶格，模拟电子体系的手性对称拓扑哈密顿量。数值计算表明，该模型的能带结构与紧束缚理论高度吻合，手性对称性带来能带关于中心频率的对称分布，为拓扑角态的出现提供对称性保障。
拓扑表征结果显示，当胞间耦合强度大于胞内耦合时，体系进入三维 Z 分类高阶拓扑相，每个晶格角点出现三重简并拓扑角态，对应多极手性数为 3，该简并源于三个轨道子系统各自独立贡献的三维 SSH 角态，而非角点诱导的杂化效应。团队通过计算多极手性数构建拓扑相图，证实仅通过调控单一轨道分量的弱 π 键耦合强度，即可驱动多极手性数发生量子化跳变，引发拓扑相变与角态简并度的可控改变，实现从 24 重简并到 16 重简并的量子化转变，这是传统单轨道体系无法实现的轨道选择性拓扑调控效应。
进一步，研究提出轨道分辨的耦合调控方法，通过位移耦合管精准调制特定轨道的弱 π 键耦合强度，依次调控不同轨道的耦合参数，可视化观测到角态从三重简并逐步退简并为二重、单简并，最终实现角态从样品左侧隧穿至右侧的完整演化过程，证实轨道自由度可精确操控拓扑态的简并度与空间定位。实验上，团队采用 3D 打印制备三维声学超构样品，利用反相驱动的微型扬声器阵列构建偶极声源，选择性激发不同轨道模式，在目标频段附近观测到三个简并共振峰，直接证实角态的三重简并特性；声场扫描结果显示，声学能量高度局域于样品角点，与数值模拟完全一致，成功完成三维 Z 分类高阶拓扑相的实验验证。
该工作首次突破长程跳跃的技术限制，利用轨道自由度实现三维 Z 分类高阶拓扑绝缘体的实验构建，揭示轨道选择性拓扑相变与角态隧穿的全新物理效应，完善了三维高阶拓扑物态的分类与调控理论。该轨道工程策略可直接推广至光子、声子、电子等多种波矢体系，为设计拓扑多路复用器、高鲁棒性传感器、拓扑波导等集成声学器件提供全新技术路径，推动高阶拓扑物理从基础研究向多功能工程应用跨越。
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