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2016 Fiscal Year Annual Research Report

非平衡条件下で駆動する粒子の運動法則と多体現象

Research Project

Project/Area Number 14J09915
Research InstitutionThe University of Tokyo

Principal Investigator

西口 大貴  東京大学, 大学院理学系研究科, 特別研究員(DC1)

Project Period (FY) 2014-04-25 – 2017-03-31
Keywordsアクティブマター / 自己駆動粒子 / 集団運動 / 非平衡物理学 / ゆらぎ / バクテリア / 非平衡統計力学 / 秩序形成
Outline of Annual Research Achievements

アクティブマターの集団運動の普遍的性質を追究するために、遊泳バクテリア懸濁液をモデル系として実験をおこなった。
昨年度までに実現に成功していた「バクテリア集団運動の長距離ネマチック秩序相」の解析を緻密化した。具体的には、この長距離秩序相が巨大な粒子数揺らぎを示すこと、そしてバクテリアの向きの空間相関関数が冪的な振る舞いを示すことを確認した。これにより、本実験系が、20年以上前に理論的に予言されていたクラスの集団運動の初めての実現であるという確証を得た。また、個々のバクテリアの衝突による相互作用を定量的に評価するために、希薄な条件下でのバクテリアの2体衝突イベントを多数撮影した。衝突前後のバクテリアの向きの変化の統計を、Boltzmann方程式を用いて定量的に解析した結果、2体衝突のレベルでは長距離秩序相への相転移は説明できず、高密度での多体衝突や連続的な衝突が重要であることが明らかとなった。これらの結果は投稿論文としてまとめ、Physical Review E誌に投稿し、Rapid Communicationとして掲載された。
この成果は、非平衡条件下で駆動する粒子の多体現象の代表例としての「アクティブマターの集団運動」に関する数多くの理論研究の実験的基礎となるものである。また、本実験系と既存の実験系や自然界の群れ運動を比較することで、その理論的普遍性が発現する必要条件を示唆することができたため、今後の理論研究や実験系の新たな設計指針・アイデアを与えることができた。
並行して、従来のバクテリアの実験系で得られていた「無秩序なバクテリア乱流」についても実験をおこない、わずかな拘束条件を課すことで、ある種の秩序を抜き出せることを実証した。
これらの結果として、バクテリア懸濁液をモデル系として、アクティブマターにおける秩序の発現とゆらぎについての理解を深化させることができた。

Research Progress Status

28年度が最終年度であるため、記入しない。

Strategy for Future Research Activity

28年度が最終年度であるため、記入しない。

  • Research Products

    (12 results)

All 2017 2016 Other

All Int'l Joint Research (3 results) Journal Article (1 results) (of which Int'l Joint Research: 1 results,  Peer Reviewed: 1 results,  Acknowledgement Compliant: 1 results) Presentation (7 results) (of which Int'l Joint Research: 2 results,  Invited: 1 results) Remarks (1 results)

  • [Int'l Joint Research] CEA-Saclay(フランス)

    • Country Name
      FRANCE
    • Counterpart Institution
      CEA-Saclay
  • [Int'l Joint Research] 北京計算科学研究中心(中国)

    • Country Name
      CHINA
    • Counterpart Institution
      北京計算科学研究中心
  • [Int'l Joint Research] Argonne National Laboratory(米国)

    • Country Name
      U.S.A.
    • Counterpart Institution
      Argonne National Laboratory
  • [Journal Article] Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspensions of swimming filamentous bacteria2017

    • Author(s)
      Daiki Nishiguchi, Ken H. Nagai, Hugues Chate, and Masaki Sano
    • Journal Title

      Physical Review E

      Volume: 95 Pages: 020601(R)

    • DOI

      https://doi.org/10.1103/PhysRevE.95.020601

    • Peer Reviewed / Int'l Joint Research / Acknowledgement Compliant
  • [Presentation] 周期構造とバクテリア乱流の共鳴による渦格子形成と反強磁性秩序2017

    • Author(s)
      西口大貴,Andrey Sokolov,Igor S. Aranson
    • Organizer
      日本物理学会 第72回年次大会
    • Place of Presentation
      大阪大学(大阪府豊中市)
    • Year and Date
      2017-03-16 – 2017-03-20
  • [Presentation] 周期構造に出会ったバクテリア乱流の反強磁性渦格子形成2017

    • Author(s)
      西口大貴,Andrey Sokolov,Igor S. Aranson
    • Organizer
      アクティブマター研究会2017
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2017-01-20 – 2017-01-21
  • [Presentation] Long-range nematic order and anomalous fluctuations in suspension of swimming filamentous bacteria2016

    • Author(s)
      Daiki Nishiguchi, Ken H. Nagai, Hugues Chate, and Masaki Sano
    • Organizer
      Current and Future Perspectives in Active Matter
    • Place of Presentation
      東京大学(東京都文京区)
    • Year and Date
      2016-10-28 – 2016-10-29
    • Int'l Joint Research / Invited
  • [Presentation] フィラメント状バクテリアの集団運動の示す長距離ネマチック秩序と巨大粒子数ゆらぎ2016

    • Author(s)
      西口大貴,永井健,Hugues Chate,佐野雅己
    • Organizer
      日本物理学会 2016年秋季大会
    • Place of Presentation
      金沢大学(石川県金沢市)
    • Year and Date
      2016-09-13 – 2016-09-16
  • [Presentation] Long-range nematic order and anomalous fluctuations in 2D suspension of swimming filamentous bacteria2016

    • Author(s)
      Daiki Nishiguchi, Ken H. Nagai, Hugues Chate, and Masaki Sano
    • Organizer
      STATPHYS26 (the 26th IUPAP International conference on Statistical Physics)
    • Place of Presentation
      Lyon (France)
    • Year and Date
      2016-07-18 – 2016-07-22
    • Int'l Joint Research
  • [Presentation] Long-range nematic order and anomalous fluctuations in collective motion of filamentous bacteria2016

    • Author(s)
      Daiki Nishiguchi, Ken H. Nagai, Hugues Chate, and Masaki Sano
    • Organizer
      RIKEN-Osaka-OIST Workshop 2016 “Big Waves of Theoretical Science in Okinawa”,
    • Place of Presentation
      沖縄科学技術大学院大学(沖縄県国頭郡恩納村)
    • Year and Date
      2016-07-09 – 2016-07-11
  • [Presentation] Long-range nematic order and anomalous flucutations in suspensions of swimming filamentous bacteria2016

    • Author(s)
      Daiki Nishiguchi, Ken H. Nagai, Hugues Chate, and Masaki Sano
    • Organizer
      新学術領域「ゆらぎと構造の協奏」第3回領域研究会
    • Place of Presentation
      九州大学(福岡県福岡市)
    • Year and Date
      2016-06-17 – 2016-06-19
  • [Remarks] 物理チャレンジOPの博士論文 「群れの秩序とゆらぎ」JPhO News Letter 17号

    • URL

      http://www.jpho.jp/2017/JPhO-NewsLetter-17-201703-HighReso.pdf

URL: 

Published: 2018-01-16   Modified: 2022-02-16  

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