スーパーソリッド

凝縮物質物理学において、超固体とは空間的に秩序立った超流動特性を持つ物質のことである。ヘリウム4の場合、1960年代から超固体を生成できるのではないかと推測されてきた。^{[1] 2017年以降、原子}ボーズ・アインシュタイン凝縮体を用いたいくつかの実験により、この状態の存在が決定的に証明された。^[2]ある物質で超固体が出現するために必要な一般的な条件は、現在も研究が進められている。

超固体は、粒子が剛性で空間的に整列した構造を形成するが、ゼロ粘性で流れる特殊な量子状態である。これは、流れ、特にゼロ粘性の超流動は、超伝導電子流体や中性子流体、ボーズ・アインシュタイン凝縮体を持つ気体、または十分に低温のヘリウム4やヘリウム3などの非従来型液体などの流体状態に特有の特性であるという直感に反する。そのため、50年以上もの間、超固体状態が存在できるかどうかは不明であった。^[3]

いくつかの実験では否定的な結果が出ましたが、1980年代にジョン・グッドカインドが超音波を使用して固体の最初の異常を発見しました。^[4]彼の観察に触発されて、2004年にペンシルベニア州立大学のウンソン・キムとモーゼス・チャンは、超固体の挙動と解釈される現象を目にしました。^[5]具体的には、彼らはねじり振動子の非古典的な回転慣性モーメント^[6]を観察しました。この観察は古典的なモデルでは説明できませんでしたが、振動子内に含まれるヘリウム原子のごく一部が超流体のような挙動を示すことと一致していました。

この観察は、結晶欠陥やヘリウム3不純物が果たす役割を明らかにするための多数の追跡研究を引き起こした。さらなる実験により、ヘリウムの真の超固体の存在に疑問が投げかけられた。最も重要なことは、観察された現象はヘリウムの弾性特性の変化によって大部分が説明できることが示されたことである。^[7] 2012年、チャンはそのような寄与を排除するように設計された新しい装置を使用して、元の実験を繰り返した。この実験で、チャンと共著者は超固体の証拠を見つけなかった。^[8]

2017年、ETHチューリッヒとMITの2つの研究グループが、超固体特性を持つ極低温量子ガスの生成について報告した。チューリッヒの研究グループは、 2つの光共振器内にボーズ・アインシュタイン凝縮体を配置し、原子の相互作用を強化して、それらが自発的に結晶化し、ボーズ・アインシュタイン凝縮体の固有の超流動性を維持する固体を形成し始めた。^{[9] [10]}この設定により、外部から課せられた格子構造のサイトに原子が固定される、いわゆる格子超固体と呼ばれる特殊な形態の超固体が実現される。MITの研究グループは、二重井戸ポテンシャル内のボーズ・アインシュタイン凝縮体を光線にさらし、効果的なスピン軌道結合を生成した。2つのスピン軌道結合格子サイト上の原子間の干渉により、特徴的な密度変調が発生した。^{[11] [12]}

2019年、シュトゥットガルト、フィレンツェ、インスブルックの3つのグループが、ランタニド原子から形成された双極子ボーズ・アインシュタイン凝縮体^[13]の超固体特性を観測しました。これらのシステムでは、外部の光格子を必要とせずに、原子相互作用から超固体が直接出現します。これにより、超流体の流れを直接観測することも可能になり、物質の超固体状態の存在を決定的に証明することができました。^{[14] [15]}

2021年にはジスプロシウムを使って2次元の超固体量子ガスが作られた。^[16] 2022年には同じチームが円形トラップの中に超固体ディスクを作った。^[17]

2021年には、ボーズ・アインシュタイン凝縮体を用いた共焦点空洞量子電磁力学を用いて、固体の重要な特性である振動を備えた超固体が生成された。つまり、音速16cm/sを示すゴールドストーンモード分散を持つ格子フォノンを備えた超固体が生成されたのである。 ^[18]

この状態に関するほとんどの理論では、空孔（理想的な結晶内で通常は粒子が占める空の位置）が超固体状態につながると考えられています。これらの空孔はゼロ点エネルギーによって引き起こされ、空孔はゼロ点エネルギーによって位置から位置へと波として移動します。空孔はボソンであるため、このような空孔の雲が非常に低い温度で存在できる場合、空孔のボーズ・アインシュタイン凝縮が数十分の1ケルビン未満の温度で発生する可能性があります。コヒーレントな空孔の流れは、反対方向の粒子の「超流動」（摩擦のない流れ）に相当します。空孔のガスが存在するにもかかわらず、結晶の整列構造は維持されますが、平均して各格子位置の粒子は1つ未満です。あるいは、超固体は超流体から発生することもあります。原子ボーズ・アインシュタイン凝縮体を使用した実験で実現されるこの状況では、空間的に整列した構造は超流体の密度分布の上の変調です。^[要出典]

• 超流動フィルム
• スーパーグラス

• 超固体実験に関する自然史
• 振動する超固体の実験に関するAPS物理学​​誌
• ペンシルベニア州立大学: スーパーソリッドとは何ですか?
• 「双極子量子気体で発見された超固体挙動」。Physics World。2019年4月20日。