Deux feuilles d'une finesse extrême, chacune d'un seul atome d'épaisseur, sont posées l'une sur l'autre et légèrement tournées. Comme deux feuilles de papier calque de couleur : tant qu'elles sont bien alignées, l'image est une, mais dès qu'on les tourne, un motif de moiré apparaît. Ici, certes, le motif n'est pas visible à l'œil, mais il modifie complètement la façon dont le matériau interagit avec la lumière.
Dans l'expérience, on a pris du disulfure de molybdène et du diséléniure de tungstène — deux semi-conducteurs bien connus en électronique. On les a superposés et irradiés avec un faisceau infrarouge invisible d'une longueur d'onde de 1260 nanomètres. En réponse, les couches ont émis une lumière verte. Cela fonctionne ainsi : deux photons infrarouges fusionnent en un photon visible — c'est ce qu'on appelle la génération de seconde harmonique. Mais l'essentiel est que la polarisation de cette lumière verte s'est révélée tordue à gauche ou à droite selon l'orientation des couches. Pour un angle de torsion d'environ 30 degrés, la différence entre polarisation gauche et droite a atteint 1,96 — presque la limite théorique.
Pourquoi cela se produit-il ? L'onde lumineuse de chaque couche arrive avec un certain retard, et ces deux ondes se combinent. Le retard dépend du sens de rotation de la polarisation — c'est comme deux interprètes qui répètent la même phrase, mais l'un est légèrement en retard. Selon celui qui est en retard, le sens de la phrase finale change pour devenir opposé. En physique, ce déphasage est appelé phase de Pancharatnam-Berry, et il est dicté uniquement par la géométrie de la rotation.
L'intérêt pratique réside dans le fait qu'en tournant une couche atomique, on peut contrôler la réponse non linéaire du matériau — c'est-à-dire la façon dont il transforme la fréquence de la lumière. Cela promet des convertisseurs minuscules pour les puces optiques, où la couleur et la polarisation sont gouvernées par la géométrie, et non par de volumineux cristaux.
L'effet est si sensible à la rotation qu'un changement d'angle d'un seul degré peut inverser la polarisation — comme si un léger mouvement du volant faisait reculer la voiture.
Dans le roman de Peter Watts, « Echopraxie », il est question de matériaux dont les propriétés dépendent de l'orientation mutuelle des couches — ce qui ressemble à la commutation arbitraire des propriétés optiques par rotation.