光を用いた「超固体」の生成に成功　イタリア研究チームが発表

2025年3月5日付の科学誌「Nature」にて、イタリアの研究機関CNR Nanotecの研究者らが、レーザー光と物質の相互作用を利用し、新たな物質状態である「超固体」の生成に成功したと発表した。
超固体は、固体の結晶構造を持ちながらも液体のような流動性を示すという特異な性質を持つ。従来は絶対零度近くまで冷却した原子集団によって実験が行われていたが、今回の研究では光を用いた新たなアプローチが取られている。

光と物質の相互作用が生み出した新たな超固体

超固体は、1960年代に理論的に予想されて以来、多くの研究者によってその存在が探求されてきた。
従来の実験では、ボース・アインシュタイン凝縮体（※1）を用いて絶対零度近くまで冷却することで、超固体の特性を観測しようとする手法が主流だった。
しかし、この方法では適用範囲が限られ、より広範な条件下での超固体の生成が求められていた。

今回の研究では、光と半導体中の粒子を結合させることで超固体の形成を試みた。
研究チームは、特殊な微細構造を持つ「フォトニック結晶導波路」を開発し、光と物質の相互作用を最大限に活用する手法を採用した。この導波路を用いることで、光の粒子（フォトン）と半導体内の電子と正孔のペア（エキシトン）が強く結合し、ポラリトン（※2）と呼ばれる複合粒子が形成される。
さらに、このポラリトンが凝縮することで、規則正しく並びつつも液体のように一体となって流動する性質を持つ超固体の生成に成功した。

※1 ボース・アインシュタイン凝縮体：極低温状態において、ボース粒子が同一の量子状態を占めることで形成される凝縮体

※2 ポラリトン：光（フォトン）と物質中の励起状態（エキシトン）が強く結合して生じる準粒子

超固体の特性と今後の展望

実験結果により、生成された超固体は固体のような規則的な結晶構造を保持しながらも、摩擦なしに流れるという液体的な特性を示すことが観測された。
これは、従来の理論予測と一致するものであり、超固体の存在を実証する重要な成果となった。

この研究により、超固体をより簡便な条件下で生成できる可能性が示された。
今後は、この技術を応用し、新しい物質の開発や量子技術への応用が期待される。たとえば、超伝導や量子コンピューターの分野において、摩擦のない流動性を持つ超固体の特性が活かされる可能性がある。
また、さらなる研究が進めば、超固体の形成メカニズムや応用範囲についての理解が深まり、より高度な制御技術が確立されることも考えられる。今後の続報に期待だ。