量子相転移動力学の基盤となるスピノールBEC中の位相欠陥の内部状態と動力学の解明

• Project/Area Number: 23K20228
• Project/Area Number (Other): 20H01842 (2020-2023)
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Multi-year Fund (2024); Single-year Grants (2020-2023)
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13020:Semiconductors, optical properties of condensed matter and atomic physics-related
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022-2024); Osaka City University (2020-2021)
• Principal Investigator: 竹内 宏光 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 准教授 (10587760)
• Project Period (FY): 2021-03-01 – 2026-03-31
• Project Status: Granted (Fiscal Year 2024)
• Budget Amount: ¥17,420,000 (Direct Cost: ¥13,400,000、Indirect Cost: ¥4,020,000); Fiscal Year 2025: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2024: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2023: ¥3,250,000 (Direct Cost: ¥2,500,000、Indirect Cost: ¥750,000); Fiscal Year 2022: ¥4,940,000 (Direct Cost: ¥3,800,000、Indirect Cost: ¥1,140,000); Fiscal Year 2021: ¥5,720,000 (Direct Cost: ¥4,400,000、Indirect Cost: ¥1,320,000); Fiscal Year 2020: ¥3,510,000 (Direct Cost: ¥2,700,000、Indirect Cost: ¥810,000)
• Keywords: 自発的対称性の破れ / 超流動 / 位相欠陥 / ネマティック量子流体 / 磁性量子流体 / スキルミオン / ボース・アインシュタイン凝縮 / 量子渦 / ネマチック量子流体 / 量子粘性 / 量子流体力学 / ドメイン壁

Outline of Research at the Start

多彩な自発的対称性の破れが起こる系である多成分超流体では，その多自由度性に起因して外部形体の異なる様々な位相欠陥が実現することが実験的に確認されているが，その内部構造についてはあまり理解されていない．内部構造の違いは動的性質にも影響するため，内部構造を含めた位相欠陥の動力学の解明は，多成分超流体の量子流体力学と相転移動力学を研究する上で避けては通れない．本課題では，冷却原子気体スピノール・ボース・アインシュタイン凝縮体におけるあらゆる位相欠陥の内部状態およびその動的性質を系統的に調べ，量子流体力学と相転移動力学を融合した「量子転移動力学」という新しいパラダイムを生むための理論的な礎を築く．

Outline of Annual Research Achievements

交付申請書に記載した課題[II]に関して，2023年度前期に思わぬ進展があったため，計画を大幅に変更して本課題を優先的に実施した．スピン１ボース・アインシュタイン凝縮体の強磁性相において，磁壁に平行なスピン流を印加することにより，流体力学で知られるケルビン・ヘルムホルツ不安性が発現し，渦スキルミオンが生成されることを以前の研究で示した．このようにして生成されるスキルミオンの多くは，半整数のトポロジカルチャージを持つ新種のスキルミオンであり，これはスピンテクスチャーに特異点を持つことで実現する．
この物理現象の実験的観測に向けて，韓国の韓国科学技術院（KAIST）の実験・理論グループと国際共同研究を進めている．KAISTのグループとは研究打ち合わせを重ね，2024年度前期には論文を学術誌に投稿する予定である．まだ未発表の内容のため，これ以上の記載は差し控える．

また，この問題に関連して，整数の渦スキルミオンの基本的な挙動を調べるために，慣性質量（渦質量）をもつ量子渦の挙動について理論的な解析を行った．渦質量の問題は超流動に関する長年の未解決問題である．近年の冷却原子気体の実験技術の向上により，この効果を検証可能である．本研究ではこの効果を最大限引き出す方法を提案すると共に，既存の実験結果から渦質量を定量的に検証できることを明らかにした．得られた成果については2023年度末の学会で既に発表しており，2024年度前期には論文を学術誌に投稿予定である．

Current Status of Research Progress

1: Research has progressed more than it was originally planned.

Reason

スピン１ボース・アインシュタイン凝縮体の強磁性におけるスキルミオンの理論予言が，本科研費研究の実施期間中に実験的検証が行えるようになるとは当初は思いもよらなかった．スキルミオンは素粒子物理の分野に由来する概念だが，物性物理の分野にも幅広く適用されている．古くは1970年代に発見された超流動3He中の織目構造に応用され，最近では新たな科学技術として注目を集めるスピントロニクス分野でも関心が高まっている．もし，予言された新種のスキルミオンが実験的に確かめられれば，物理業界に広く大きなインパクトを与えるであろう．この問題をきっかけに韓国のKAISTのグループと新たな共同研究も始まった．このように課題[II]に重点を置いたため，課題[I]と[III]については進展はあまりないが，総合的に判断すると想定以上の成果が得らえたと言える．

Strategy for Future Research Activity

スピン１ボース・アインシュタイン凝縮体の強磁性相におけるスキルミオンの相図を解明する．それと同時にスキルミオンのダイナミクスについて渦質量の効果についても理論研究を実施する．

課題[II]を優先したことで2023年度にやり残した課題[I]と[III]について研究を再開する．課題[III]については，海外の研究者と共同で実施しているため，相手先に直接渡航して研究を加速させる．課題[I]については，2023年度の途中で中断した数値解析を再開させ，ポーラー相における外部回転下の渦格子構造の相図を作成する．

Research Products

• [Int'l Joint Research] Antwerp University(ベルギー)
• [Int'l Joint Research] KAIST(韓国)
• [Int'l Joint Research] Otago University(ニュージーランド)
• [Journal Article] Quantum viscosity and the Reynolds similitude of a pure superfluid (2024)
  • Author(s): Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review B Volume: 109 Issue: 2
  • DOI: 10.1103/physrevb.109.l020502
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Critical Velocity for Quantized Vortex Formation in a Superfluid with a Plate-Shaped Obstacle (2024)
  • Author(s): Kokubo Haruya、Takeuchi Hiromitsu、Kasamatsu Kenichi
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: 未定 Issue: 5-6 Pages: 430-439
  • DOI: 10.1007/s10909-024-03071-8
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Splitting instability of a doubly quantized vortex in superfluid Fermi gases (2024)
  • Author(s): Van Alphen W.、Takeuchi H.、Tempere J.
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 109 Issue: 4
  • DOI: 10.1103/physreva.109.043317
  • Peer Reviewed / Int'l Joint Research
• [Journal Article] Kelvin wave in miscible two-component Bose-Einstein condensates (2023)
  • Author(s): Kasamatsu Kenichi、Okada Maki、Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 107 Issue: 1 Pages: 013309-013309
  • DOI: 10.1103/physreva.107.013309
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Vorticity Distribution in Quantum Kelvin-Helmholtz Instability of Binary Bose?Einstein Condensates (2022)
  • Author(s): Kokubo Haruya、Kasamatsu Kenichi、Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Journal of Low Temperature Physics Volume: - Issue: 5-6 Pages: 1-1
  • DOI: 10.1007/s10909-021-02660-1
  • Peer Reviewed
• [Journal Article] Spin-current instability at a magnetic domain wall in a ferromagnetic superfluid : A generation mechanism of eccentric fractional skyrmions (2022)
  • Author(s): Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 105 Issue: 1 Pages: 013328
  • DOI: 10.1103/physreva.105.013328
  • NAID: 120007191628
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020395
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Quantum Elliptic Vortex in a Nematic-Spin Bose-Einstein Condensate (2021)
  • Author(s): Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review Letters Volume: 126 Issue: 19 Pages: 195302
  • DOI: 10.1103/physrevlett.126.195302
  • NAID: 120007041872
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020420
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Phase diagram of vortices in the polar phase of spin-1 Bose-Einstein condensates (2021)
  • Author(s): Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 104 Issue: 1 Pages: 013316
  • DOI: 10.1103/physreva.104.013316
  • URL: https://ocu-omu.repo.nii.ac.jp/records/2020394
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Journal Article] Pattern formation of quantum Kelvin-Helmholtz instability in binary superfluids (2021)
  • Author(s): Kokubo Haruya、Kasamatsu Kenichi、Takeuchi Hiromitsu
  • Journal Title: Physical Review A Volume: 104 Issue: 2 Pages: 1-16
  • DOI: 10.1103/physreva.104.023312
  • Peer Reviewed / Open Access
• [Presentation] 未定 (2024)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: FINESS2024: FInite temperature Non-Equilibrium Superfluid Systems
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 量子流体の物理 (2024)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 統数研共同研究集会兼第4回TREFOIL研究会
  • Invited
• [Presentation] 量子渦の運動に対する過質量の効果 (2024)
  • Author(s): 貫上晃宏，竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会、春季大会
• [Presentation] 超流体の量子粘性とレイノルズ相似則 (2024)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会、春季大会
• [Presentation] Isolated fractional skyrmions in a magnetic quantum gas (2023)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: Condensed Matter Solitons, Daejeon, South Korea
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Drag force due to quantum viscosity in superfluid 4He at zero temperature (2023)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2023: International Conference on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 磁性量子流体のスピン配向性秩序が生み出す新奇な位相欠陥構造 (2023)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 磁性量子流体のスピン配向性秩序が生み出す新奇な位相欠陥構造
  • Invited
• [Presentation] Isolated fractional skyrmions generated by Kelvin-Helmholtz instability in a magnetic quantum gas (2023)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2023: International Conference on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Critical velocity for quantized vortex formation in a superfluid wake with a plate obstacle (2023)
  • Author(s): Haruya Kokubo, Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2023: International Conference on Quantum Fluids and Solids
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] TBA (2023)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: Condensed Matter Solitons, Daejeon, South Korea
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] 磁性量子流体のスピン配向性秩序が生み出す新奇な位相欠陥構造 (2023)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会北海道支部講演会（共催：第288回エンレイソウの会）, 北海道大学
  • Invited
• [Presentation] 板状障害物による超流動伴流のダイナミクス (2023)
  • Author(s): 小久保治哉，笠松健一，竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会、春季大会
• [Presentation] 磁性量子流体における孤立した半整数スキルミオン (2022)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 強磁場コラボラトリー オンラインセミナー
  • Invited
• [Presentation] Nematic superfluidity of spinor Bose-Einstein condensates (2022)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: Collective Effects & Non-Equilibrium Phenomena in Quantum Gases and Superconductors (CMD29), Manchester, UK
  • Int'l Joint Research / Invited
• [Presentation] Eccentric fractional skyrmions in a magnetic quantum fluid (2022)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: AQP seminar, ROTA group, Aalto Univ., Finland
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Mechanism of splitting instability of a doubly quantized vortex (2022)
  • Author(s): Michikazu Kobayashi, Hiromitsu Takeuchi, Kenichi Kasamatsu
  • Organizer: LT29: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Nematic superfluidity manifested as anomalous topological defects in spinor quantum gases (2022)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: LT29: 29th International Conference on Low Temperature Physics
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Fractional Skyrmion due to Local Nematic Order in a Ferromagnetic Superfluid (2022)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: FYR03 QLC meeting (online)
• [Presentation] 強磁性相スピン１BECにおける磁壁のスピン流による不安定化：エキセントリック分数スキルミオンの生成機構 (2022)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会、年次大会（オンライン）
• [Presentation] スピン1BECポーラー相における量子渦の相図 (2021)
  • Author(s): 竹内宏光
  • Organizer: 日本物理学会、秋季大会（オンライン）
• [Presentation] Quantum elliptic vortex in the polar phase of a spin-1 Bose-Einstein condensate (2021)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: 52nd Annual DAMOP Meeting, American Physical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase Diagram of Solitons in the Polar Phase of a Spin-1 Bose-Einstein Condensate (2021)
  • Author(s): I-Kang Liu, Shih-Chuan Gou, Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: 52nd Annual DAMOP Meeting, American Physical Society
  • Int'l Joint Research
• [Presentation] Phase diagram of pattern formation in binary Bose-Einstein condensates with shear flow (2021)
  • Author(s): Haruya Kokubo, Kenichi Kasamatsu, Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online)
• [Presentation] Vortex-core structure in the polar phase of spin-1 Bose-Einstein condensates (2021)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online)
• [Presentation] Quantum Elliptic Vortex in a Spinor Bose-Einstein Condensate (2021)
  • Author(s): Hiromitsu Takeuchi
  • Organizer: QFS2021: International Conference on Quantum Fluids and Solids (online)
  • Int'l Joint Research
• [Remarks] 個人のHP
  • URL: http://hiromitsu-takeuchi.appspot.com/meetingj.html
• [Remarks] プレスリリース（大阪公立大学，科学技術振興機構（JST））
  • URL: https://www.omu.ac.jp/assets/attachmentfile/attachmentfile-file-36240.pdf
• [Remarks] 大阪公立大学 研究者情報
  • URL: https://kyoiku-kenkyudb.omu.ac.jp/html/100000046_ja.html?k=%E7%AB%B9%E5%86%85%E5%AE%8F%E5%85%89
• [Remarks] Hiromitsu Takeuchi 竹内 宏光
  • URL: http://hiromitsu-takeuchi.appspot.com
• [Remarks] Hiromitsu Takeuchi 竹内宏光
  • URL: http://hiromitsu-takeuchi.appspot.com
• [Remarks] トピックス｜大阪市立大学 大学院理学研究科・理学部
  • URL: http://www.sci.osaka-cu.ac.jp/now/topics.html
• [Remarks] 従来の認識を覆す発見！！自発的対称性の破れによって生じた謎の物体を解明
  • URL: https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2021/210524
• [Remarks] 世界初！ ２種類の超流動体の界面模様の形成機構を解明 量子流体力学の発展につながる研究成果
  • URL: https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2021/210819
• [Remarks] 常識を覆す大発見！新種のスキルミオンを発見
  • URL: https://www.osaka-cu.ac.jp/ja/news/2021/220209