超流動ヘリウムの量子乱流における2流体模型の連立ダイナミクス

• Project/Area Number: 19J00967
• Research Category: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 国内
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Keio University
• Principal Investigator: 湯井 悟志 慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター, 特別研究員(PD)
• Project Period (FY): 2019-04-25 – 2022-03-31
• Project Status: Completed (Fiscal Year 2021)
• Budget Amount: ¥4,030,000 (Direct Cost: ¥3,100,000、Indirect Cost: ¥930,000); Fiscal Year 2021: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2020: ¥1,300,000 (Direct Cost: ¥1,000,000、Indirect Cost: ¥300,000); Fiscal Year 2019: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
• Keywords: 量子流体力学 / 低温物理学 / 超流動 / 量子流体 / 量子渦 / 量子乱流 / 2流体模型 / ヘリウム4

Outline of Research at the Start

本研究の目的は、超流動ヘリウムにおける2流体連立ダイナミクスを解明することである。超流動ヘリウム4は粘性を持つ常流体と粘性を持たない超流体の混合流体として理解できる。2流体は、互いに影響を与えながら非自明な運動をする。本研究では、理論および数値計算を用いてこのような2流体連立ダイナミクスを解明する。本研究が対象とするのは、超流体が乱流となった量子乱流状態である。量子乱流は循環が量子化された渦によって構成され、非平衡系の典型模型といわれている。まず、量子乱流と常流体層流の連立数値計算を行う。そして、量子乱流と常流体乱流の連立ダイナミクスへと研究を進める。

Outline of Annual Research Achievements

本研究課題の目標は，超流動ヘリウムにおける超流体と常流体の結合ダイナミクスの解明である．ランダウの2流体模型によると，超流動状態の液体ヘリウム4は非粘性の超流体と粘性のある常流体の混合流体として理解することができる．超流体の乱流は量子乱流とよばれ，様々な量子凝縮系に普遍的に出現し得る．量子乱流状態では2流体の間に相互摩擦力が働くようになり，2流体が互いに影響を与えながら運動を行う．そのような2流体結合ダイナミクスは量子流体力学における根本的かつ重要な問題であるが，多くの部分が謎に包まれている．
主な研究実績は以下の通りである．
(1)2流体の同時乱流状態．2流体両方が乱流である状態は，量子流体力学の長年の未解明問題である量子乱流のT2状態の原因であると予想されてきた．そこで，T2状態の解明に取り組むために，我々は2流体模型の数値計算を用いて2流体同時乱流状態を研究した．結果として，確かに常流体乱流が量子乱流強度を上昇させること等が明らかになった．それらの結果は，T2状態が2流体同時乱流状態であるという考えを支持していた．現在は，より広いパラメータでのデータ等，さらに説得力のある結果を集めており，近いうちに論文として研究内容を発表する予定である．
(2)量子乱流の異常拡散．乱流拡散は重要なテーマであり，古典流体においては盛んに調べられてきたが，量子流体においてはほとんど未解明のままである．本研究では，実験グループと協力して量子乱流中の量子渦の拡散について渦糸モデルの数値計算を用いて調べた．結果として，短い時間スケールにおいて量子渦は異常拡散(超拡散)を示すことが明らかになり，長い時間スケールでは量子渦の再結合の影響が顕著になり常拡散を示すことが明らかになった．これらの研究結果は，他の様々な量子流体における乱流拡散の研究につながる可能性があり，大きなインパクトがあるだろう．

Research Progress Status

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

令和3年度が最終年度であるため、記入しない。

Research Products

• [Int'l Joint Research] National High Magnetic Field Laboratory/Florida State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Florida State University(米国)
• [Int'l Joint Research] Florida State University(米国)
• [Journal Article] 量子乱流状態における超流動の2流体模型：量子渦と熱励起成分の相互作用が引き起こす奇妙な現象 (2021)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠
  • Journal Title: 最近の研究から，日本物理学会誌 Volume: 第76巻 第1号 Pages: 28-33
  • NAID: 130007966098
• [Journal Article] Fully Coupled Two-Fluid Dynamics in Superfluid 4He: Anomalous Anisotropic Velocity Fluctuations in Counterflow (2020)
  • Author(s): Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota, Wei Guo
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 124 Issue: 15 Pages: 155301-155301
  • DOI: 10.1103/physrevlett.124.155301
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Presentation] Coupled dynamics of quantum turbulence and synthetic normal-fluid turbulence in superfluid helium-4 (2021)
  • Author(s): Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, Makoto Tsubota, and Rio Yokota
  • Organizer: QFS2021: International Symposium on Quantum Fluids and Solids, online, August 10-19 (2021)
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超流動4Heの量子乱流における量子渦の超拡散の数値的研究 (2021)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠，Wei Guo
  • Organizer: 日本物理学会，2021 年秋季大会，オンライン，9 月 20-23 日，2021 年
• [Presentation] 2流体モデルの連立数値計算を用いた量子乱流の研究 (2021)
  • Author(s): 湯井悟志
  • Organizer: 第63回LES研究会，オンライン開催
• [Presentation] 超流動ヘリウム4の2流体結合ダイナミクスの研究 (2021)
  • Author(s): 湯井悟志
  • Organizer: 若手奨励賞受賞記念講演，日本物理学会，第76回年次大会，オンライン開催
• [Presentation] 超流動4Heの熱対向流：常流体乱流が量子乱流に与える影響 (2021)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠，横田理央
  • Organizer: 日本物理学会，第76回年次大会，オンライン開催
• [Presentation] Two-way coupled simulation of quantum turbulence in superfluid helium (2021)
  • Author(s): Satoshi Yui, Hiromichi Kobayashi, and Makoto Tsubota
  • Organizer: 14th World Congress in Computational Mechanics and ECCOMAS Congress (WCCM), online
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超流動4Heにおける常流体の速度変動 (2020)
  • Author(s): 小林宏充，湯井悟志，坪田誠
  • Organizer: 日本物理学会，2020年秋季大会，オンライン開催
• [Presentation] 2流体結合計算による超流動Heの量子乱流現象の理解に向けて (2020)
  • Author(s): 小林宏充，湯井悟志，坪田誠
  • Organizer: 日本機械学会 第98期 流体工学部門講演会，オンライン開催
• [Presentation] Two-way coupled simulation between quantized vortices and normal fluid in superfluid 4He (2020)
  • Author(s): Hiromichi Kobayashi, Satoshi Yui, and Makoto Tsubota
  • Organizer: 3rd International Conference on Computational Engineering and Science for Safety and Environmental Problems (COMPSAFE2020), online
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fully coupled dynamics of quantized vortices and normal fluid in superfluid helium: Energy transfer and velocity fluctuations (2020)
  • Author(s): S. Yui
  • Organizer: NITEP one year anniversary conference/workshop series: Turbulence of all kinds
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Energy transfer caused by coupled dynamics between quantized vortices and normal fluid in superfluid 4He (2019)
  • Author(s): S. Yui
  • Organizer: Quantum turbulence workshop in QFS2019
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] 超流動4Heの量子乱流における超流体と常流体のエネルギースペクトル (2019)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠
  • Organizer: 日本物理学会，第75回年次大会
• [Presentation] 超流動4Heにおける量子渦と常流体間のエネルギー輸送：再結合と渦輪 (2019)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠
  • Organizer: 日本物理学会，第75回年次大会
• [Presentation] 超流動4Heの量子乱流における量子渦と常流動の局所結合ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠
  • Organizer: 日本流体力学会，年会2019
• [Presentation] 超流動4Heにおける量子渦と常流動の局所結合ダイナミクス (2019)
  • Author(s): 湯井悟志，小林宏充，坪田誠
  • Organizer: 日本物理学会，2019年秋季大会
• [Presentation] Energy transfer caused by coupled dynamics between quantized vortices and normal fluid in superfluid 4He (2019)
  • Author(s): S. Yui, H. Kobayashi, and M. Tsubota
  • Organizer: QFS2019: International Symposium on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Elementary process of coupled dynamics between quantized vortex and normal fluid in superfluid 4He (2019)
  • Author(s): S. Yui, H. Kobayashi, and M. Tsubota
  • Organizer: QFS2019: International Symposium on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 慶應義塾大学 自然科学研究教育センター
  • URL: https://www.sci.keio.ac.jp/
• [Remarks] 慶應義塾大学 自然科学研究教育センター
  • URL: http://www.sci.keio.ac.jp/index.php