Deux feuilles empilées se comportent différemment de chacune prise séparément. Il en va de même dans le monde des cristaux bidimensionnels : si l'on prend deux couches de matière d'un atome d'épaisseur et qu'on les superpose avec un léger décalage, leurs propriétés magnétiques peuvent changer complètement. C'est précisément ce que montrent les calculs pour les composés MA₂Z₄, des parents du célèbre MoS₂, découverts en 2020.

Dans cette étude, deux types d'atomes métalliques ont été considérés — le manganèse et le fer — au sein de couches contenant du silicium et de l'azote. Il s'avère que pour un certain empilement, rappelant celui du graphite, l'interaction entre les couches ne se contente pas d'ajouter une petite correction, mais entre directement en compétition avec les forces à l'intérieur de chaque couche. Cette compétition détermine le motif magnétique qui apparaît : les couches peuvent s'aligner dans la même direction ou dans des directions opposées.

Une telle sensibilité à l'empilement ouvre la voie à la création de matériaux dont les propriétés magnétiques peuvent être ajustées par un simple décalage des couches. Cela est important pour la spintronique, un domaine où l'information est codée non pas par la charge de l'électron, mais par son spin, c'est-à-dire son moment magnétique intrinsèque.

L'étude a été réalisée à l'aide de calculs ab initio, qui ne nécessitent pas de paramètres d'ajustement et reposent uniquement sur les lois fondamentales de la mécanique quantique. Les données obtenues ont permis de construire un modèle efficace décrivant le comportement des spins dans un système bicouche, et de déterminer précisément l'état magnétique fondamental et les excitations de basse énergie.