室温で超固体を実現、液晶マイクロキャビティで成功

極低温を避ける発想

超固体は、硬い結晶格子と超流動が共存するという仮説で、1960年代に理論家が提唱した。超流動は粘性がゼロで、物質が抵抗なく流れる状態を指す。実験で確認されたのは2017年で、極低温の原子ボース・アインシュタイン凝縮体で初めて観測された。

今回のチームは、動きの遅い原子の代わりに光と物質の準粒子を用いた。光学マイクロキャビティに閉じ込めた光子と励起子が強結合し、励起子ポラリトンが生じる。寿命は数ピコ秒にすぎないが、量子的な超流動として振る舞うボース・アインシュタイン凝縮体を形成するには十分だった。

超固体への転移は、試料表面に等間隔で現れる明るい干渉縞として記録された。縞は光の強度と偏光の二つの独立したチャネルで同時に秩序を示した。自発的対称性の破れの直接的な証拠も得られている。CNRSのInstitut PascalのGuillaume Malpuech教授によれば、レーザーパルスごとに縞の位置はランダムに変わり、理論予測と一致する。

材料面の課題

中核は、WATが設計・製造し、特殊な液晶を満たしたマイクロキャビティである。IBM Research Zurichのチームがその上に有機半導体の極薄膜を形成した。半導体が液晶とゆっくり化学反応するため、試料が安定なのは作製後わずか数時間だった。光学測定はすべてこの短い時間内に行い、繰り返しのたびに新しい試料を作る必要があった。それでも、電圧で制御できる液晶マイクロキャビティが、光と物質の新たな量子相を探る柔軟なプラットフォームになり得ることが示された。