Электронный заряд — перекати-поле, которое меняет свой лагерь в зависимости от энергии. В кристалле вольфрам-селенида (WSe₂) это видно с предельной ясностью: при напряжении −1.4 В, близком к K-точке зоны Бриллюэна, максимумы туннельного тока оказываются в центрах шестиугольников, где атомов нет. При −1.9 В, ближе к Γ-точке, заряд перебирается на атомы вольфрама. Сдвиг — всего 0.16 нм, половина расстояния между соседними атомами металла. Это не оптическая иллюзия: сканирующий туннельный микроскоп ощупывает поверхность иглой, и его картинки напрямую отражают, где электронам уютнее.
Раньше топологию зон изучали в импульсном пространстве — через фазы Берри и симметрийные индикаторы. Но волновая функция, из которой эти свойства следуют, живёт в реальном пространстве, внутри элементарной ячейки. Теперь выяснилось: топологическую обструкцию можно диагностировать по чисто реально-пространственному признаку — смещению центра заряда внутри зоны. Это отличает метод от прежних, где топология проявлялась через границы или интерференцию. В WSe₂ K-точка имеет хиральное d-орбитальное состояние с нетривиальной фазой при повороте на 120°, что запрещает локализацию на атоме. Поэтому функции Ванье валентной зоны центрированы в пустотах.
Практическая польза уже видна: СТМ-изображения дихалькогенидов переходных металлов часто интерпретировали противоречиво, яркие пятна приписывали то атомам металла, то халькогена. Теперь есть чёткий критерий: в обструктированном изоляторе электроны не могут локализоваться на атомах, и это видно по смещению заряда. Метод применим к любым кристаллам с изолированной зоной и разделёнными по энергии высокосимметричными точками. Для физики конденсированного состояния это означает, что СТМ становится инструментом для проверки симметрийных индикаторов непосредственно в координатном пространстве. В перспективе — поиск новых топологических материалов без сложных расчётов и контроль качества двумерных полупроводников в электронике и оптоэлектронике.
Расстояние, на которое смещается максимум заряда в WSe₂, — всего 0.16 нанометра. Это примерно в 600 раз меньше толщины человеческого волоса.
В романе Грега Игана «Город перестановок» герои манипулируют квантовыми состояниями, чтобы изменить свойства материи. Здесь учёные, по сути, делают первый шаг к такому контролю: видят, где именно в кристалле живёт электрон, и как это связано с глобальной топологией.