京都工芸繊維大学の研究グループは，光と物質のハイブリッドな性質を持つ量子状態として知られるポラリトン状態が，全無機鉛ハライドペロブスカイトと呼ばれる特殊な半導体材料により，量子的な重ね合わせ状態を形成できることを示した（ニュースリリース）。
光の波長サイズの狭い領域に光波を閉じ込める光微小共振器を，半導体材料で作製することで，半導体中の電子状態（電子／正孔対）と閉じ込められた光波（光子）の相互作用が強められ，光と物質のハイブリッドな性質を持つポラリトン状態と呼ばれる準粒子状態が生成される。
このポラリトン状態はレーザーや太陽電池などの様々な光電子デバイスの基礎物理として知られており，さらにそのエネルギー凝縮相（ポラリトン凝縮相）は次世代量子デバイスの量子媒体としても期待されている。
特に，すべて無機元素で構成される鉛ハライドペロブスカイト半導体の一種（CsPbBr3）においては，高密度でも安定なスピン相関型の電子－正孔対がポラリトン状態の形成に関与しており，室温でもポラリトン凝縮状態の形成が可能と示されている。
このような室温ポラリトン凝縮状態を量子技術として応用展開していくためには，量子重ね合わせ状態や量子もつれ状態などの実証が求められる。
研究では，このCsPbBr3微小共振器における室温ポラリトン凝縮相の量子重ね合わせ状態を，直交する二つの偏光状態間での重ね合わせにより実現可能であることを示した。CsPbBr3はほぼ立方晶に近い結晶構造を取るが，室温ではごくわずかに歪みが生じており，直交する二つの偏光方向での屈折率がごくわずかに異なる。これにより，形成されるポラリトン状態のエネルギーもわずかに異なってくる。
研究グループは，このような特異な材料特性と，エネルギー凝縮することでわずかにエネルギーシフトを起こすというポラリトンの性質を活用することで，異なる性質を持った二つのポラリトン偏光状態をほぼ同じエネルギーとして共鳴させることが可能と見出し，量子的な重ね合わせ状態の形成に成功した。
これは，ポラリトン状態のエネルギー特性を詳細に分析することが可能な特殊な光学評価システムを構築，適用することにより得られた成果。単純な光の状態では直交する二つの偏光状態は決して混成させられないが，光と物質のハイブリッド状態であるポラリトン状態の利用がこの課題解決の一つの手段となる可能性も示唆するという。
研究グループは今後，室温に近い環境下での研究展開が求められるとともに，この室温ポラリトン状態にトポロジカルな物性を付与することで，新たな量子技術への展開も期待されるとしている。
