ソリトン超蛍光、高温量子材料への道を開く

July, 28, 2025, Paris--Natureに掲載される新しい論文が、室温での超蛍光に必要なメカニズムと材料条件の両方について報告している。この研究は、超伝導、超流動、超蛍光などのエキゾチックな量子状態を高温で可能にする材料を設計するための青写真として役立ち、極低温での動作を必要としない量子コンピュータなどのアプリケーションへの道を開く可能性がある。

この研究を行った国際チームは、ノースカロライナ州立大学が主導し、デューク大学、ボストン大学、パリ工科大学の研究者が含まれていた。

「この研究では、高温での巨視的な量子コヒーレンスの背後にある実験的および理論的な理由の両方を示してい」と、NC State物理学教授、研究の責任著者Kenan Gundogduはコメントしている。「言い換えれば、われわれはついに、周囲温度でエキゾチック(新奇)な量子状態を必要とするアプリケーションで、一部の材料が他の材料よりもどのように、そしてなぜより適切に機能するのかを説明することができる。」

魚の群れが一斉に泳いだり、ホタルが一斉に点滅したりする様子を想像してみる。量子の世界で同様の集団的振る舞いが起こると、これは巨視的な量子相転移として知られる現象であり、超伝導、超流動、超蛍光などのエキゾチックなプロセスにつながる。これらすべてのプロセスにおいて、量子粒子のグループは、巨大な量子粒子のように振る舞う巨視的にコヒーレントなシステムを形成する。

とは言え、量子相転移は通常、超低温または極低温の条件が起こる必要がある。これは、温度が高くなると熱の「ノイズ」が発生し、同期が中断され、位相遷移が妨げられるためである。

以前の研究では、Gundogduたちは、いくつかのハイブリッドペロブスカイトの原子構造が、相転移が起こるのに十分な時間、量子粒子の基を熱ノイズから保護することを決定した。これらの材料では、大きなポーラロン(電子に結合した原子のグループ: polarons)が形成され、発光双極子を熱干渉から遮断し、超蛍光を可能にする。

新しい研究では、研究者たちは断熱効果がどのように機能するかを発見した。研究チームが研究したハイブリッドペロブスカイト内の電子をレーザで励起したとき、ポーラロンの大きなグループが集まっているのが見えた。このグループはソリトンと呼ばれている。

「原子格子を、2点の間に張られた細かい布のように想像してください。励起子を表す固体のボールを布の上に置くと、各ボールは布を局所的に変形させる。超蛍光のようなエキゾチックな状態を得るには、コヒレントなグループを形成し、ユニットとして格子と相互作用するために、すべての励起子またはボールが必要だが、高温では熱雑音がこれを防ぐ」(Gundogdu)。

「ボールとその局所的な変形が一緒になってポラロンを形成する。これらのポーラロンがランダムな分布から格子内の規則的な形成に遷移すると、ソリトン、つまりコヒレントユニットが形成される。ソリトン形成プロセスは、量子効果を妨げる熱擾乱を減衰させる」(Gundogdu)。

「ソリトンは、材料中に十分な密度のポーラロンが励起されている場合にのみ形成される」と、NC State Ph.D学生、論文の共同筆頭著者Mustafa Türeは話している。「われわれの理論は、ポーラロンの密度が低い場合、システムは自由でインコヒレントなポーラロンしか持たないのに対し、しきい値密度を超えると、ポーラロンはソリトンに進化することを示している。」

「われわれの実験では、ポーラロンのグループの進化を、一貫性のない非相関相から秩序ある相に直接測定した。これは、巨視的な量子状態形成の最初の直接的な観測の1つである」と、NC Stateポスドク研究員で、この研究の共同筆頭著者であるMelike Bilirogluは付け加えた。

ソリトン形成が温度の悪影響を抑制することを確認するために、グループはデューク大学の機械工学および材料科学のRooneyファミリー准教授であるVolker Bumと協力して、熱干渉の原因となる格子振動を計算した。また、CNRSの物理学教授Vasily TemnovとEcole Polytechniqueとも協力し、熱雑音の存在下でのソリトンの再結合ダイナミクスをシミュレーションした。彼らの研究は、実験結果を確認し、ソリトンの本質的な一貫性を検証した。

この研究は、特定のハイブリッドペロブスカイトがどのように、jq
なぜエキゾチックな量子状態を示すことができるのかを理解する上での飛躍的な進歩を表している。

「この研究が進む前は、これらの材料に高温量子効果の背後にあるメカニズムがあるかどうかは明らかではなかった」と、論文の共著者であり、NC StateのWalter and Ida Freeman材料科学・工学特別教授であるFranky Soは話している。

「この研究は定量的な理論を示し、実験結果でそれを裏付けている。超伝導などの巨視的な量子効果は、量子通信、暗号学、センシング、計算など、われわれが追求しているすべての量子技術の鍵であり、現在、それらはすべて低温の必要性によって制限されている。しかし、理論を理解した今、高温で機能できる新しい量子材料を設計するためのガイドラインができたことは、大きな前進である」(Gundogdu)。