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流れるのに、結晶のように規則正しく並んでいる。そんな矛盾した性質を同時に持つ物質の状態を「超固体（スーパーソリッド）」と呼ぶ。これまでは絶対零度近くまで冷やした環境でしか見つかっていなかったが、ワルシャワ大学を中心とするチームが、室温で超固体を作ることに成功した。材料は、液晶と有機半導体を挟んだ小さな光の箱だ。論文は10月16日に Science Advances に載った。
流れる結晶という、半世紀越しの予言
話の出発点は「超流動」だ。ある種の液体は極低温で粘り気が完全に消え、どんな細いすき間もするすると抜けていく。オールを差し込んでもほとんど抵抗を感じないが、ある速さを超えたとたん、液体の中に量子の渦がぽんと現れる。
1960年代、物理学者たちは、この超流動の液体が、流れる性質を保ったまま結晶のような周期的な模様を自分で作ることがありうる、と予言した。それが超固体である。予言から半世紀以上、実験では見つからず、ようやく2017年に、極低温に冷やした原子の集団（ボース＝アインシュタイン凝縮）で初めて確かめられた。ボース＝アインシュタイン凝縮とは、たくさんの粒子がそろって1つの量子の状態に落ち込み、全体がひとつの波のようにふるまう状態のことだ。
ただ、原子を絶対零度の近くまで冷やすには大がかりな冷却装置が要る。超固体は、どうしても「極低温の物理」だった。
光と物質の混ざった粒で、室温の凝縮を作る
今回のチームは、原子ではなく「励起子ポラリトン」という粒を使った。半導体の中で光を受けて生まれる電子と穴のペア（励起子）が、光と強く結びついて、半分は光・半分は物質という性質の混ざった粒になったものだ。ごく軽いので、室温でもボース＝アインシュタイン凝縮を作れる。一つひとつの粒は数ピコ秒（1兆分の数秒）しか生きないが、その短い間に凝縮して、超流動のようにふるまう。
この粒を閉じ込める舞台が「マイクロキャビティ」だ。2枚の鏡で光を細い空間に閉じ込める小さな箱で、チームはその中に液晶を満たし、MeLPPP という有機半導体の膜を2層入れた。有機半導体が室温でも光と強く結びつく励起子を持ち、液晶は電圧をかけると光の通り方が変わる。液晶の構造を作ったポーランド軍事技術大学のヴィクトル・ピエチェク（Wiktor Piecek）さんによれば、このマイクロキャビティは60°C近くでも動く。
液晶にはもう1つ役目があった。光の偏光の向きと、光が進む向きを結びつける「スピン軌道相互作用」を箱の中に作るのだ。そうすると、いちばんエネルギーの低い状態が、進む向きの違う2つに分かれる。凝縮した粒がこの2つの状態に同時に入ると、向きの違う2つの波が重なって、明るいところと暗いところが一定の間隔で並ぶ縞模様が生まれる。流れる性質を持ったまま、密度が規則正しく並ぶ。これが超固体の目印になる。
縞は、毎回ちがう場所に現れた
上の絵は想像図だ。レーザーのパルスで試料に光を注ぐと、試料から出てくる光の中に、等間隔に並んだ明るい縞が現れた。ここまでなら、箱のどこかの傷や厚みのむらが、たまたま縞を作っているだけかもしれない。決め手になったのは、そのあとだ。
パルスを当て直すたびに、縞の並ぶ位置が少しずつずれた。凝縮は毎回作り直され、そのたびに、同じくらい起こりやすい縞の位置の中から1つを自分で選んでいた。箱の構造が縞の場所を決めているなら、毎回同じ位置に出るはずだ。位置が毎回変わるということは、凝縮そのものが結晶のような並びを自発的に作っている、ということになる。
フランス国立科学研究センター（CNRS）のギヨーム・マルプエシュ（Guillaume Malpuech）さんは、これを「教科書どおりの自発的対称性の破れ」と呼ぶ。理論は、超固体がいくつもの同じ重みの状態の中から1つを選ぶと予言していて、まさにそれが見えた、という。論文によれば、箱の中にはでこぼこ（乱れ）があるにもかかわらず縞の位置はばらばらに出ていて、縞が乱れに縛られていないことも分かった。縞の乱れには量子の渦もときどき現れた。これは超流動のもう1つの特徴だ。
さらに凝縮は、光の明るさの縞とは別に、偏光の向きが周期的に回る模様（スピンらせん）も同時に持っていた。明るさと偏光という2種類の秩序が、同じ凝縮の中に重なっていたことになる。
数時間しかもたない試料と、電圧で動かせる舞台
実験は思ったよりずっと難しかった。有機半導体が液晶と少しずつ反応してしまうので、試料を組み立ててから数時間のうちに測定を終えなければならなかったのだ。筆頭著者で、いまはニューヨーク市立大学の博士研究員のマルチン・ムシンスキ（Marcin Muszyński）さんは、実験の手順を前もってすべて組み立てておく必要があり、測定を1つやり直すには試料をまるごと作り直すしかなかった、と振り返る。主要な測定はスイスの IBM チューリッヒ研究所で行われた。
上の絵も想像図で、冷却装置の無い光学台の上で試料にレーザーを当てる場面を描いた。チームが強調するのは、この箱が「電圧で性質を変えられる、超固体のポラリトン凝縮の初めての舞台」だという点だ。極低温の装置を使わずに、外から電圧をかけて光の通り方を変えながら、超流動や超固体のふるまいを調べられる。
研究チームは将来の応用として、光で動く高速の素子や、偏光の変化に敏感な光センサーなどを挙げている。ただ、今回の試料は数時間で劣化するし、凝縮は1回のパルスごとに一瞬だけ生まれて消える。いますぐ部品になる話ではない。確かなのは、半世紀かけてようやく極低温で見つかった物質の状態が、液晶と有機半導体という、身近な材料の組み合わせで、室温のまま見られるようになったということだ。
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