2012年、ノーベル賞受賞者のフランク・ウィルチェックは革新的なアイデアを提案した：空間だけでなく時間にも繰り返す結晶、つまり周期的に押されることなく自然に周期的運動（決して止まらない振り子のようなもの）を発生させる物質相である。このアイデアは激しい理論的 scrutiny にさらされ、長年にわたり、ウィルチェックの「時間結晶」は熱平衡状態では実現不可能かもしれないと考えられていた。しかし2017年以降の顕著な一連の実験により、まず trapped ions における離散的時間結晶、次に原子空洞系における連続的時間結晶で、その可能性が証明された。
今度は、上海交通大学の研究者らが次の一歩を踏み出した：彼らは肉眼で見える巨視的・古典的時空結晶を構築し、初めてその融解を観察したのである。
本実験はPNASに掲載され、Matteo BaggioliとJie Zhangが主導したもので、約10,000個の3Dプリントされた円盤状粒子（それぞれが大型硬貨ほどの大きさで、直径8.8ミリメートル）が、約50センチメートル（20インチ）の振動するアルミニウム板上に配置されている。各粒子には6本の交互に傾斜した脚（小型ローターのようなもの）と、方向追跡用のマーカードットが付いている。プレートが100Hz（地球重力の約3倍の加速度）で振動すると、傾斜した脚とプレートとの衝突によって能動的な力が発生し、粒子が運動を始める。
高密度では、驚くべき現象が起こる：10,000個すべての粒子が自発的に同期し、約4.7〜5.5時間の周期を持つ単一のコヒーレントな剛体回転を形成する。これは100Hzの駆動よりも約6桁も遅い。この系は連続的な時間並進対称性を自発的に破っており、独自のリズムを選択したのである。フーリエスペクトルは約5.5×10⁻⁵Hzに鋭いピークを示し、真の周期的時間秩序を確認している。この回転はほぼ1日持続し（装置の制限のみによる）、強力な音響ノイズ注入にも耐える。7つのより小さなレプリカを用いた対照実験では、回転開始時間と回転方向はランダムであり、秩序化の自発的な性質が確認された。
3段階の崩壊過程
本研究の核心的洞察は、研究者らが粒子密度を減少させたときに何が起こるかから得られる。プレートからゆっくりと粒子を取り除く（充填率を減少させる）ことで、時空結晶が3つの明確な段階を経て融解する過程が観察された。これはこれまでいかなる時空結晶系でも観察されたことのない進行である。
第一段階では、充填率約0.734で、系は研究者らが「T-coexistence」と呼ぶ状態に入る。時間的（時間結晶的）秩序が崩壊し始める：プレートの一部の領域はコヒーレントに回転を続けるが、他の領域は時間的に無秩序になる。一方、空間格子はすでに結晶からヘキサティック相へと融解している。これは準長距離の配向秩序を持つが弱い並進秩序しか持たない状態であり、Kosterlitz、Thouless、Halperin、Nelson、Youngによる古典的2次元融解理論におけるよく知られた中間状態である。
第二段階では、充填率約0.709で、時間的秩序は完全に失われる；コヒーレントな回転は残っていない。ここで空間的秩序が独自の崩壊を開始し、チームが「S-coexistence」と呼ぶ状態に入る：ヘキサティック領域と流体領域がプレート上で共存する。
第三段階では、充填率0.687以下で、すべての空間的秩序が消失し、系はランダムなブラウン運動を行う粒子の等方性流体となる。
「最も顕著な発見は、空間的秩序と時間的秩序が decouple し、完全に異なるメカニズムで融解することです」と、共同第一著者のGuoqing Liu氏は述べた。「時間的秩序は、多体相互作用の弱化に伴う方向性持続性の喪失によって破壊され、一方、空間的秩序は古典的なKTHNY欠陥媒介融解シナリオを経ます。」
この研究の意義
本実験は、時空結晶の初めての完全な実験的相図を提供する。これまでの研究はこれらのエキゾチックな物質状態の実現に焦点を当てており、それらがどのように崩壊するかを体系的に研究した者はいなかった。
空間的および時間的対称性の破れの decoupling は、基本的な物理的洞察である。これは、時空結晶がその名前に反して、秩序が一体となって維持または崩壊する統一的な対象ではないことを示唆している。空間と時間における2種類の周期性は、それぞれ異なる物理的メカニズムによって支えられており、独立に破壊されうるのである。
「これは古典系であり、量子系ではありません」とBaggioli氏は述べた。「しかし対称性の破れの原理は普遍的です。このような効果を3Dプリント部品を使った実験卓上の実験で観察できるという事実は驚くべきことです。」
この研究はまた、よく知られた空間的相に対応する時間的類似物の研究という新たな方向性を開く。例えば、ヘキサティック相には時間的 counterpart である「時間ヘキサティック」が存在し、T-coexistence 領域で観察可能かもしれない。時空結晶の相図の概念は、今や理論的抽象概念ではなく、具体的な実験的追求対象となった。
いくつかの注意点も挙げておくべきだろう。系における回転は常に反時計回りであり、これは真の自発的カイラリティの破れではなく、小さな実験的不完全性によるアーティファクトである。この系は古典的・駆動型・非平衡定常状態であり、ウィルチェックが当初構想したタイプの量子時間結晶ではない。また、具体的な融解シナリオは、粒状系の散逸および駆動メカニズムの詳細に依存する可能性がある。
それでもなお、この実験は、古典的な時空結晶が構築、観察、そして系統的に分解可能であることを実証している。これは、ウィルチェックが14年前にこの概念を初めて提案したときにはSFのように思えた偉業である。
出典： Liu, G., Bai, J., Baggioli, M. & Zhang, J. 「Three-stage melting of a macroscopic continuous spacetime crystal.」 PNAS 123(27), e2613063123 (2026). DOI：10.1073/pnas.2613063123
雅子 訳