Le mille-feuille de disulfure de molybdène MoS2 repose sur la paillasse. On le prépare de la manière habituelle : un ruban adhésif détache 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 qu'au cœur du cristal.
Dans un matériau stratifié, les électrons se déplacent 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 fissure étroite où leur mouvement vertical est restreint. Cette fissure agit comme un puits quantique : seuls certains niveaux d'énergie sont permis, 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. Cette régularité indique que le fond du puits n'est pas plat mais incurvé, telle une cuvette parabolique. La largeur du puits s'est avérée 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 stratifiés. Elle propose aussi un moyen simple de créer des puits quantiques sans épitaxie complexe : il suffit d'exfolier soigneusement le cristal.
Le mille-feuille est de nouveau sur la table. 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 détache 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.