Un jeu de cartes où chaque carte est légèrement tournée ne peut pas reposer à plat : les dos et les motifs ne coïncident jamais. Mais si les cartes sont souples, elles commencent à s'ajuster, se décalant de fractions de millimètre pour trouver la correspondance parfaite. Quelque chose de similaire se produit à l'intérieur des cristaux lorsque deux couches épaisses de MoS2 ou de MoS2 avec WS2 sont empilées avec une rotation de 1 à 2 degrés. Leurs réseaux atomiques, comme les motifs sur les cartes, cherchent à coïncider, et pour cela les atomes se déplacent, formant des zones d'empilement idéal.

Jusqu'à présent, une telle réorganisation n'avait été observée qu'en surface ou dans des films minces de quelques couches atomiques. Les interfaces cachées à l'intérieur de cristaux épais restaient inaccessibles : les méthodes qui voient la surface n'y atteignent pas. Les auteurs de la nouvelle étude ont utilisé la ptychographie électronique multicouche, une méthode qui scanne l'échantillon avec un faisceau d'électrons focalisé et reconstruit la structure à différentes profondeurs à partir des diagrammes de diffraction. C'est comme si l'on radiographiait les cartes pour voir comment chaque couche s'est déplacée à l'intérieur du paquet.

L'expérience a montré qu'à l'interface entre deux cristaux de MoS2 tournés de 1.23 degrés, de vastes domaines avec un empilement idéal apparaissent, séparés par des dislocations partielles, des défauts linéaires où les atomes sont disposés en « marche d'escalier ». Loin de l'interface, le réseau restait presque parfait. L'analyse des déplacements de plus de 40 000 colonnes atomiques a révélé que la réorganisation s'atténue avec la distance : à deux couches de l'interface, le déplacement dépassait 6 picomètres, et à quatre couches, il tombait au niveau du bruit. La déformation pénètre donc en profondeur, mais elle s'atténue rapidement.

La comparaison avec le modèle théorique a donné un résultat inattendu : la réorganisation réelle était plus forte que ne le prédisaient les calculs basés sur les paramètres des bicouches minces. La raison en est que les couches externes du cristal épais suppriment la flexion, forçant les couches internes à se comprimer et à s'étirer davantage dans le plan. C'est une différence importante par rapport aux films minces libres, qui peuvent se plier librement.

Maintenant que les interfaces cachées sont devenues visibles, la voie est ouverte à la conception ciblée de matériaux multicouches. En sachant comment les atomes se réorganisent lors de la torsion, on peut concevoir des systèmes avec des propriétés électroniques et mécaniques spécifiques. Le jeu de cartes qui semblait être mélangé au hasard révèle maintenant son ordre, couche par couche.