室温の超固体

論文によれば、1956年にペンローズとオンサーガーが奇妙な問いを立てた。一つの物質の状態が、粒子が規則的な格子状に並んだ結晶であると同時に、粒子が一つの量子的な波を共有して摩擦なく流れる凝縮体でもありうるだろうか、というものだ。そうした状態は超固体と呼ばれる。

最初の明確な実験的証拠は2017年、極低温の原子の雲で得られた。続いて、規則的な液滴の配列に分かれる双極子量子気体が登場した。研究者たちはそれ以来、その振動、2次元の配列、さらには量子化された渦まで観測してきた。しかし、これらの超固体はすべて、絶対零度よりわずか数十億分の1度高い数ナノケルビンでしか存在せず、大がかりな冷却装置と真空装置を必要とする。

半分は光、半分は物質

低温を回避する方法の一つが励起子ポラリトンだ。これは一部が光、一部が物質でできた複合的な準粒子である。ポラリトンは絶えず注入され、絶えず漏れ出していくため、はるかに高い温度でも集団的な量子コヒーレンスを保つことができる。ポラリトンの凝縮体や超流体は、有機材料やペロブスカイトですでに室温で実現している。ポラリトンの超固体も最近フォトニック結晶で作られたが、それは従来の半導体を使った極低温でのことだった。

香港大学のシャオボー・イン(Xiaobo Yin)とシアン・チャン(Xiang Zhang)が率いる、ユアンハオ・ゴン(Yuanhao Gong)、ジンウェン・マー(Jingwen Ma)らは、この2つの要素を組み合わせた。彼らは臭化鉛系ペロブスカイトMAPbBr₃の薄い単結晶を育て、厚さ70ナノメートルの膜を選び、それをフォトニック結晶の上に置いた。フォトニック結晶とは、290ナノメートルごとに繰り返すパターンを刻んだ窒化ケイ素の層である。このパターンが光の伝わり方を形づくり、静止した高品質のモードを一つと、互いに逆向きに進むモードの対を生み出す。

2つのしきい値

研究者たちはフェムト秒レーザーパルスでデバイスを励起し、そこから出る光を観察した。

• 13.14 µJ/cm²で、静止したモードに凝縮体が形成された。
• 15.89 µJ/cm²で、逆向きに進む2つのモードに突然光が現れた。凝縮体が非線形の「パラメトリック」過程によってそれらに光を供給していたのだ。著者らは、成長曲線がまさにそうした過程の予測どおりに変化することを示している。逆向きの波の対が満たされることで、流体のなめらかで一様な対称性が破れる。これが超固体の始まりである。

しきい値以下(a)、凝縮のしきい値(b)、超固体のしきい値(c)での放出。(c)では、凝縮体のエネルギーにおいて2つの逆向きの運動量ψ₁(±k)に明るいスポットが現れる。— 図2、Gong et al. (2026), arXiv:2609.40009.

チップに刻まれていない結晶

直接撮像すると、光る流体は3.33マイクロメートル間隔の規則的な縞を示す。これは予測値の3.46に近い。この周期は、チップの290ナノメートルのパターンとは何の関係もない。秩序は刻まれた構造の転写ではなく、相互作用そのものから生まれているのだ。そしてそれは柔らかい。密度が上がるにつれて、間隔が連続的に変化する。

量子的な側面を確かめるため、チームは2台の単一光子検出器を使って、逆向きの2つのモードからの光がどう相関しているかを測定した。遅延ゼロでの相関は1.0121で、1に非常に近かった。これは2つのモードのあいだのコヒーレンスの特徴である。結晶の秩序と全体的なコヒーレンスがそろったことは、著者らにとって室温超固体の決定的な証拠だという。

左:実空間での超固体。凝縮体全体に縞模様が広がっている。右:逆向きの2つのモードのあいだの相関で、遅延ゼロで1.0121。— 図4、Gong et al. (2026), arXiv:2609.40009.

流体力学から量子光まで

このデバイスはパルスで駆動され、絶えず光を失っているため、この超固体は原子のいとこたちとは異なり、非平衡状態で存在する。著者らが引用する以前のプレプリントもすでに室温での超固体性を目指していたが、この論文は両方の秩序を直接とらえたと主張している。彼らの次の課題は、2次元のパターン、超固体の渦、その硬さを明らかにする振動だ。さらに、超固体を形づくる散乱そのものが非古典的な光の源であることから、スクイーズド光ともつれた光を生み出す小型のチップ上光源も視野に入れている。