ついに、機能するスーパーソリッドが完成しました。これが重要な理由は次のとおりです。

内部が摩擦なく動く無傷のダイヤモンドや、ぎっしり詰まった内容物が楽々と流れる形成された氷の塊を想像してみてください。これらは奇妙に、あるいは不可能に聞こえるかもしれません。しかし物理学者にとって、これらは最近彼らが作り出したもの、つまり超固体と呼ばれる奇妙な物質状態とそれほどかけ離れているわけではありません。

過去数年間、科学者たちは研究室で極小スケールの超固体を生成してきた。そして今、物理学者のグループがこれまでで最も洗練された超固体を作った。それは一枚の紙のように二次元に存在するものだ。彼らは先週の水曜日、その結果をネイチャー誌に発表した。  

「[超固体]を2次元にすることは、常に一種の未完の目標でした」と、オーストリアのインスブルック大学の物理学者でネイチャー誌の論文の主執筆者であるマシュー・ノルシア氏は言う。

では、超固体とはいったい何なのでしょうか? 基本的には、2 つの異なる物質状態の特性を含んでおり、1 つは日常的なものであり、もう 1 つは非常に難解なものです。

最初の状態は固体で、これは物質の最もありふれた形態の 1 つです。おそらく、あなたは今この瞬間にも固体に触れているでしょう。重要なのは、物理学者にとって固体が興味深いのは、内部の原子が堅固な構造に保持されているからです。そのため、通常、固体の物体が水のように流れるのを見ることはありません。

しかし、2 つ目は、おそらくあまり見たことのない物質の状態、つまり超流動です。量子力学の奇妙な現象である超流動は、粘性がゼロの流体のように振る舞う物質です。科学者は、ヘリウムを絶対零度よりわずかに高い温度まで冷却することで、超流動を垣間見ました。超流動は、壁を楽々と這い上がったり、表面を滑ったりすることができます。

超固体は固体と超流体の両方を 1 つのパッケージに組み合わせたものです。つまり、摩擦や抵抗のない流体のように流れる固体です。奇妙に聞こえるかもしれませんが、まったく自然なことです。これは単に量子力学の産物であり、宇宙を最小のスケールで支配する特殊な物理学です。

「超固体をイメージするには、液体の水に浸された氷の塊と、その中を水が摩擦なく流れる様子を想像してください」と、フランスのソルボンヌ・パリ北大学の物理学者で、今回の論文には関わっていないブルーノ・ラブルーテ・トルラ氏は、この新しい研究に付随するネイチャー・ニュース＆ビューズ誌に書いている。

これはまったく新しいアイデアというわけではなく、物理学者は 1960 年代からこれを提案してきました。しかし、何十年もの間、地球上で超固体を作れるかどうかは明らかではありませんでした。科学者が実験室で超固体を作ることに向けて具体的な進歩を遂げ始めたのは、2010 年代になってからでした。

[関連: タイムクリスタルとは一体何なのか、そして物理学者はなぜそれに夢中になっているのか?]

当初、科学者たちは過冷却ヘリウムで超固体を探そうとしました。ヘリウムは原子の性質上理想的な物質で、超流体はヘリウム内で発生するため、ヘリウム内にも超固体が存在すると考えるのは理にかなっているように思われます。しかし、その努力はまだ実を結んでいません。

10年後の10年、物理学者たちはルビジウムやランタンといった他の元素に注目し始めた。少数の気体原子を捕らえて絶対零度（最も低い温度、華氏約-460度）よりほんの少し高い温度まで冷やすと、原子は凝縮して一連の奇妙な量子状態になる。これをボーズ・アインシュタイン凝縮という。

つまり、超固体を作るには、まずいくつかの原子を捕らえ、それを冷却し、それらの相互作用を操作します。「これらを正しく調整し、捕らえられた原子の形状を正しく調整すれば、超固体を得ることができます」と筆頭著者のノルシア氏は言います。

研究者たちはこの方法を使って、2019年に基本的な1次元の超固体、つまり直線状の薄い超固体チューブを作り始めました。

ノルシア氏とインスブルック大学およびオーストリア科学アカデミーの同僚たちが今まさにそれを実現した。原子を捕らえる装置と原子を凝縮するプロセスを改良することで、彼らは超固体を1次元から2次元に、つまり小さなチューブから小さなシートに拡張することに成功した。

「この実証は重要な進歩である。なぜなら、システムが超流動性を示すことを証明する直接的な方法の 1 つは、回転時の特性を調べることであり、この分析はシステムが 1 次元しかない場合には達成できないからである」と Labruthe-Tolra 氏は書いている。

研究者たちは二次元で超固体を作ったが、三次元でも作れるのだろうか？ 触れることができるような本格的な超固体を作ることはできるのだろうか？

ノルシア氏によると、おそらくすぐには実現しないだろうが、物理学者たちの頭をよぎった疑問だと同氏は言う。現時点では、物理学者たちが持っている技術でそれをどうやって実現するかは不明だという。

その代わりに、研究者たちは今のところ、自分たちが作り出した超固体を研究したいと考えている。超固体を作ることに成功したにもかかわらず、物理学者たちはまだそれについてほとんど何も知らない。