固体と液体の性質を兼ね備えた「超固体（Super-solid）」と呼ばれる性質の存在について、かなり強力な裏付けとなりそうな論文が公表された。2018年11月29日付で『Physical Review Letters』に発表された論文によると、低温ヘリウムの奇妙で不思議な世界を深く探究する時期が来ているようだ。

ヘリウムという物質の風変わりさは間違いなく宇宙一であり、水素分子を大きくしのぐ。ヘリウムの奇妙さの鍵は、ヘリウムが通常はボース粒子（ボソン）であることだ。ヘリウム4原子（He-4）は、陽子2個と中性子2個と電子2個で構成され、総和が偶数となるため、複合ボース粒子を形成する。

ヘリウム3の不思議

これらは何を意味するのだろうか。それは十分に低い温度まで冷やすと、ヘリウム原子の集団が同じ量子状態になれることを意味する。原子の集団が容器全体に拡散していても、離れた位置にある原子同士が互いの状態についてある程度は“知って”いるわけだ。

これによりヘリウム原子は抵抗ゼロで流れることが可能になる。「超流動」と呼ばれるこの状態は、ヘリウムがもつ奇妙で不思議な特性のひとつだ。

ヘリウムには、ヘリウム4とは別の種類で、中性子を1個しかもたず、陽子2個と中性子1個と電子2個で構成される「ヘリウム3（He-3）」が存在する。これは複合ボース粒子ではなく、フェルミ粒子だ。

冷却してもヘリウム3原子の集団は同じ量子状態になれないため、超流動体にはならない。だが、十分に低い温度まで冷やすと、ヘリウム3原子2個がペアをつくり、複合ボース粒子を形成する可能性がある。それほどの極低温であれば、ヘリウム3でも超流動が現れる。

ヘリウム4もヘリウム3も、大気圧下では固体にはならない。だが、20～40気圧下ではどちらも固体になる。固体としては適切な温度下では、ヘリウム4は超固体状態になれる一方、ヘリウム3はボーズ粒子ではないため超固体にはならないと予測されている。

問題は、超固体もまた検出が非常に難しいことである。超固体が固体ヘリウムの弾性特性に生じる別の変化にまぎれて見えなくなるからだ。

固体なのに「流れる」とは？

超固体は抵抗ゼロで流れることによって、その存在を知らせる。だが、固体が流れるというのはどういう意味だろうか。

ヘリウムは、（どちらのタイプも）固体になると結晶化する。これはすべての原子が、互いに固定された配列に保持されることを意味する。一例を挙げると、原子が立方体の角に位置するように並ぶ場合がある。

だが、固体が形成される際に原子があるはずの位置に存在しなかったり、正しい位置からずれたりすることがある。加圧すると、これらの空の位置（空孔）に原子が移動し、新たな空孔が生じる可能性がある。原子が位置を入れ替えながら移動することに伴い、固体が“流れる”というわけだ。

流れるためには、原子が現在の位置を離れて新たな位置に移動することを可能にするうえで十分なエネルギーをもつ必要がある。温度が低下するにつれて原子のもつエネルギーは小さくなり、もはや移動できなくなる。これは、流量が温度とともに低下するはずであることを意味する。

だが、物質が超固体状態にある場合は、超流動状態の量子的性質が、空孔がどこにあるかを原子に知らせ（正確な表現ではないが）、原子の移動を可能にするため、原子は空孔から空孔へと移動できる。この量子効果は、温度が低下するとともにより強力になるため、温度低下に伴って流量が増加する。

温度低下に伴う流量の増加は、ヘリウム4ですでに観察されている。残念ながらこれは、研究者らが追い求めている決定的証拠とまではいかなかった。なぜなら、固体の弾性的性質も、また影響を及ぼすからだ。

温度が低下するにつれて、ある競合が生じる。「（原子のもつエネルギーの減少に起因する）原子の運動の減少」と、「（固体全体が、加えられた力をセンサーに伝える能力が高まることに起因する）運動の増加」との間で競合が起こるのだ。もしかすると、ヘリウム4の流量の増加は、実際には弾性的性質の変化だった可能性もある。

ヘリウム3が救いの手に

超固体の存在を証明するために研究者たちは、超固体に変化しないタイプのヘリウムであるヘリウム3に助けを求めた。

ヘリウム3を用いた実験が繰り返し行われた結果、通常の固体に対して予想される通り、温度低下とともに流量が減少する現象が観察された。ヘリウム3の弾性的性質はヘリウム4とほぼ等しいため、それを影響から除外することができた。

実際に研究者らは、固体の弾性運動と、空孔間の原子運動による固体の流れを区別することに成功した。ヘリウム4の場合は、流れがヘリウム3と比べてまったく異なった進み方をすることを、研究者らは実験で明らかにした。

しかし、ここで予想外のことが起きた。最低温域でヘリウム3の流量の減少が止まったのだ。ヘリウム3は超固体の特性を示さないだけでなく、通常の固体のように振る舞うこともやめてしまった。

上記で見たように、ヘリウム3は個々の原子がボース粒子を形成するようにペアをつくることができるので、極低温で超流動体になる可能性がある。固体ヘリウム3にも、この現象が起こる可能性はあるはずだ。

これまでの実験では、ヘリウム3の超固体を期待できるほどの低温には達していなかった。だが、もしかすると、もしもの話にすぎないが、一部のペア形成が進行するほどの低温には達していて、それによって超固体の性質が部分的に現れ始めることが可能になっていたのかもしれない。

最後の結論は少々推測的だ。しかし、ヘリウム3とヘリウム4の振る舞いの間の相違は極めてはっきりしている。この点だけでも、超固体状態の存在を肯定する論拠をはるかに強固なものにしている。