| Project/Area Number |
22K03475
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| Research Category |
Grant-in-Aid for Scientific Research (C)
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| Allocation Type | Multi-year Fund |
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| Section | 一般 |
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| Review Section |
Basic Section 13010:Mathematical physics and fundamental theory of condensed matter physics-related
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| Research Institution | Meisei University |
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Principal Investigator |
古川 一暁 明星大学, 理工学部, 教授 (40393748)
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| Project Period (FY) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| Project Status |
Granted (Fiscal Year 2023)
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| Budget Amount *help |
¥4,290,000 (Direct Cost: ¥3,300,000、Indirect Cost: ¥990,000)
Fiscal Year 2024: ¥780,000 (Direct Cost: ¥600,000、Indirect Cost: ¥180,000)
Fiscal Year 2023: ¥2,080,000 (Direct Cost: ¥1,600,000、Indirect Cost: ¥480,000)
Fiscal Year 2022: ¥1,430,000 (Direct Cost: ¥1,100,000、Indirect Cost: ¥330,000)
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| Keywords | アクティブマター / 回転ビット / 多体系 / 情報伝達 / フラストレーション |
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| Outline of Research at the Start |
研究代表者がイオンゲルを用いて最近発見した、アクティブマターの双安定な自己駆動回転運動を、左回転を0、右回転を1と表現する回転ビットとみなし、ビット間相互作用を持つ回転ビット多体系を構築する。回転ビットの1次元配列による1ビット情報伝達、2次元格子配列による集団秩序の形成・転移・崩壊過程を研究対象とする。特定の回転ビットのみの回転方向を外力により制御する方法を確立し、回転ビット多体系中での情報の伝播、また集団秩序の形成・転移・崩壊に対する影響を明確にする。本研究によりアクティブマターの時空間構造形成機構のダイナミクスを解明する。
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| Outline of Annual Research Achievements |
2023年度は前年度に引き続き、回転ビット2次元配列における集団秩序の発現の有無を明らかにする研究を中心に取り組んだ。自己推進型イオンゲルのサイズと回転軸間距離とを最適化すると、隣り合う回転ビットは互いに逆方向に回転する状態が優位となる相互作用を示すことを前年度までに明らかにしている。2023年度は、2×2正方形状に回転軸を配置した系で、４回転ビットの取るパターンを解析した。この際、従来「左回転」「右回転」に2値化していた回転ビットの状態に、一定以下の角速度の場合を「静止」とする新たな状態を加え、3値化して出現パターンを解析した。運動開始直後から一定時間は、隣り合う回転ビットが互いに逆回転するパターンが圧倒的に優位に出現した。一定時間経過後は、4回転ビットがすべて正方形の辺に沿った同一の方向に向いて静止するパターンが出現した。静止パターン出現以降の回転ビットの状態をさらに調べると、静止パターンは定常的ではなく、回転ビットは4つが同期して一斉に回転する回転パターンと静止パターンが繰り返された。回転パターンの継続時間と静止パターンの継続時間の分布をとると、それぞれ20秒、70秒程度を平均値とする正規分布に近い分布を示した。このような同期現象はこれまで予想していなかったが、その再現性は高く、また回転軸間距離を変更しても見られた。
これまでの研究成果は、ソフトマターに関する国際会議および応用物理学会等で発表した。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
3: Progress in research has been slightly delayed.
Reason
本研究では、アクティブマターの双安定な自己駆動回転運動を、左回転を0、右回転を1と表現する回転ビットとみなす。具体的なアクティブマターとして、水面で自律運動するイオンゲルを用いている。本研究の目的は「回転ビット多体系の構築」および「多体系のダイナミクスの理解」である。
2023年度は、回転ビット多体系において特徴的なパターン発現があることを明らかにした。結果は予期しない同期現象を含む興味深いものであり、新たな研究課題が提示された。今後は、提案時の実施計画通り、回転ビット多体系の規模を拡大したとき、どのようなパターンが優位に出現するか、さらに観察・解析していく。回転ビットの状態を、右回転・左回転・静止の3値で表現し回転ビットパターンを解析していく。2×2回転ビット多体系でみられた3つの現象、すなわちすべての回転ビットが一方向に整列した静止パターンの発現、その後回転ビットが同期して運動する現象、静止パターンと回転パターンの持続時間の統計分布が、n×m 正方格子でも見られるのか、それらの出現・消滅が何で決まっているのかについて、さらに知見を深めていく。2次元格子をさらに拡張して三角格子やカゴメ格子への展開も図っていく。
本提案のもう一つの目的は、回転ビット多体系のダイナミクスを明らかにすることである。このためには回転ビットの非接触操作の手法を確立する必要があるが、この点については当初計画より遅れており、早期にこれを回復したい。具体的には、砂鉄混合回転ビットを外部磁場によって制御しその回転方向・回転速度を自在に制御することを目指している。現在この方法での問題点として、回転ビットが磁石に引き寄せられて水面から離脱してしまうことである。その解決案として、外部磁場を発生する磁石を、上面だけでなく下面にも備えることにより、回転ビットに上下から磁場を与える方法を考え準備している。
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| Strategy for Future Research Activity |
2023年度は、研究実績の概要に記したように、多体系に特徴的なパターン発現があることを明らかにした。結果は予期しない同期現象を含む興味深いものであり、新たな研究課題が提示された。その点を意識して、n×n正方格子を中心に回転ビット多体系の規模を拡大したとき、どのようなパターンが優位に出現するか、さらに観察・解析していく。2×2回転ビット多体系でみられた3つの現象、すなわちすべての回転ビットが一方向に整列した静止パターンの発現、その後回転ビットが同期して運動する現象、静止パターンと回転パターンの持続時間の統計分布が、n×m 正方格子でも見られるのか、それらの出現・消滅が何で決まっているのかについて、さらに知見を深めていく。2次元格子をさらに拡張して三角格子やカゴメ格子へ展開していく。
多体系のダイナミクスに関しては、回転ビット非接触操作の手法を確立することに注力する。それが実現できれば、予定した知見を得ることが可能になると考えている。
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