2019 Fiscal Year Annual Research Report
Fully coupled dynamics of superfluid and normal fluid
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17K05548
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
坪田 誠 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 教授 (10197759)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | 量子流体力学 / 量子乱流 / 量子渦 / 超流動ヘリウム / 原子気体ボース・アインシュタイン凝縮 / 乱流 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
量子流体力学および量子乱流の研究を行った。対象とする系は超流動ヘリウムと原子気体ボース・アインシュタイン凝縮体(BEC)であり、それぞれについて述べる。[超流動ヘリウム] 1941年にランダウが提案した２流体モデルは超流動現象を記述する強力な現象論的モデルだが、両者の運動方程式を連立させて解かれたことはほとんどない。本研究では、超流体のダイナミクスを量子渦糸モデルで、常流体をナヴィエ・ストークス方程式で記述し、両者は相互摩擦で結合、連立させて解き、史上初めて、超流体と常流体の結合ダイナミクスを明らかにすることができた。特に今年度は、熱対向流において、常流動速度場の異常な異方的速度ゆらぎ(流れ方向とそれに垂直な方向で異なる)が、超流動の量子渦タングルの異方性に起因することを示し、実験結果と定性的に符合する結果を得た。また、振動物体が作る量子乱流を想定して、局所的な量子渦タングルを作り、そこから放出される渦輪の統計則を調べた。大阪市大グループが観測した統計則と、定性的には合う結果を得た。[原子気体BEC] 箱形ポテンシャルに閉じ込められた原子気体BECに対し振動ポテンシャルでエネルギーを注入し、ポテンシャルの高さを変えて、乱流のエネルギーカスケードの観測に成功した。BECの巨視的波動関数が従うグロス・ピタエフスキー方程式の数値解析を行い、実験結果と符合する結果を得た。また、当初、捕獲ポテンシャルと振動ポテンシャルの影響を受けて異方的だった運動量分布が、乱流カスケードの高波数への進行とともに等方的な乱流に発達・推移することを明らかにした。
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