時間結晶： 物理学の革命的な概念

はじめに
本稿では、物理学者の興味をそそる物質の一種である時間結晶の魅力的な概念に迫ります。
今回は、2021年にポーランドのアダム・ミッキェヴィッチ大学の研究チームが、運用型10日間X線顕微鏡というユニークな顕微鏡を使い、1秒間に最大400億フレームという驚異的な高速シャッタースピードで画像を撮影し、時間結晶の観察に成功したことについて解説します。

背景について
時間結晶は、著名な物理学者で2004年にノーベル物理学賞を受賞したマサチューセッツ工科大学（MIT）のフランク・ウィルゼック教授が2012年に初めて提案しました。
このアイデアは世界中の科学者の関心を呼び、大規模な研究を促しました。

氷や金属などの通常の結晶は、分子や原子が自発的に格子状に配列し、周期的な間隔を保っています。
一方、時間結晶は、この周期性を時間軸方向に伸ばしたもので、原子の位置や物質の特性などの物理的性質が、一定の時間間隔で自然に繰り返される。

応用と可能性
時間結晶の存在が証明されれば、その特異な性質から、様々な分野への応用や発展が期待される。
空間的な周期性しか持たない通常の結晶とは異なり、時間的な周期性も持つことから、応用研究の新たな可能性が期待できる。

時間結晶のコンセプトは、当初、対称性の破れという考え方にヒントを得た。
連続した空間では、通常、物理的な特性は一様である。しかし、結晶格子の中では、原子サイトと空サイトとの間に明確な違いがあり、離散的な空間対称性が生まれる。
Wilczekは、連続的な時間対称性から離散的な時間対称性に移行できる物質の存在を想定し、時間結晶という概念を生み出しました。

存在とさらなる研究
2015年、カリフォルニア大学バークレー校と東京大学物性研究所の研究者は、時間結晶を数学的に定義し、最低エネルギー状態では存在し得ないことを証明しました。
この発見は、Wilczekが最初に提案したような、完全に自発的に周期的に変化する物質が存在し得ないことを示した。

そこで研究者たちは、外力とは異なる周期性の時間的揺らぎを示す物質に着目した。
これらの「弱い」時間結晶は、完全に自然発生的なものではないものの、科学界にとって大きな関心事でした。

2017年、複数の研究グループが、イオン集合体に電磁場などの周期的な外力を加えたり、原子間相互作用に量子的な乱れを導入したりして、時間結晶の作成に成功しました。
これらの実験では、外力の周期に依存せず、スピンなどの量子特性が一定間隔で安定的に振動することが実証されました。

将来への展望
時間結晶は、本来カオス的な相互作用から安定性を引き出すことができるため、量子コンピュータにおいて壊れやすい量子ビットを保護する役割を果たすことが期待されている。
最近では、室温で動作し、長寿命な時間結晶の作製に成功しており、時間結晶技術を応用した電子デバイスの実現に近づいている。

おわりに
今回は、時間結晶の概念とその歴史、そして応用の可能性についてご紹介しました。
完全に自然発生的に周期的に変化する物質という考え方は否定されたものの、「弱い」時間結晶の存在や量子コンピュータなどの分野での利用の可能性は、時間結晶の研究が依然として魅力的で有望な研究分野であることを示しています。