Le gâteau en couches de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse du laboratoire. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif arrache les couches supérieures pour obtenir un échantillon mince. Mais sous le ruban subsiste une cavité invisible, où les étages atomiques ne sont plus pressés les uns contre les autres. C'est là que les électrons commencent à se comporter différemment que dans le volume du cristal.
Dans un matériau en couches, les électrons se promènent généralement librement dans les trois dimensions. Mais lorsque les couches supérieures se décollent du volume, un espace apparaît entre elles et le reste du cristal. Les électrons se retrouvent dans une fente étroite où leur mouvement vertical est restreint. Cette fente agit comme un puits quantique : seuls certains niveaux d'énergie discrets sont autorisés, et non un spectre continu. Les physiciens ont observé ces niveaux grâce à la ARPES, une méthode qui arrache les électrons avec de la lumière et mesure leur énergie et leur impulsion.
Le nombre de niveaux variait d'un échantillon à l'autre : de un à huit. Leurs énergies s'alignaient comme les marches d'un escalier aux intervalles égaux. Une telle régularité indique que le fond du puits n'est pas plat, mais incurvé, telle une cuvette parabolique. La largeur du puits s'est révélée minuscule : de 0,6 à 4,9 nanomètres. Pour comparaison, le diamètre d'une molécule d'ADN est d'environ 2 nanomètres, et ici, dans le puits, ne tient qu'une seule couche de MoS2.
On pensait auparavant que l'exfoliation mécanique ne modifiait pas la structure du MoS2 massif. Les états supplémentaires dans les spectres étaient attribués à des défauts ou à des erreurs de mesure. Désormais, il est clair que ces états proviennent du décollement des couches supérieures, qui forment un puits quantique. Cette découverte change l'interprétation des données pour de nombreux matériaux en couches. Elle offre aussi un moyen simple de créer des puits quantiques sans épitaxie complexe : il suffit d'exfolier soigneusement le cristal.
Le gâteau en couches est de nouveau sur la paillasse. On voit maintenant que, entre ses étages, se cachent des puits invisibles où les électrons vivent sur des marches d'énergie distinctes. Le ruban adhésif, qui semblait un simple outil de préparation d'échantillons, construit en réalité des structures quantiques. Et chaque fois qu'un physicien arrache une couche, il crée involontairement un nouvel escalier pour les électrons.
La largeur minimale du puits quantique était de 0,6 nm, comparable au diamètre d'une molécule d'ADN (environ 2 nm), mais elle ne contient qu'une seule couche de MoS2.