2017 Fiscal Year Research-status Report
Topological Excitations in Quantum Condensates with Complex Order Parameters
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17K05554
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| Research Institution | Kindai University |
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Principal Investigator |
中原 幹夫 近畿大学, 理工学総合研究所, 研究員 (90189019)
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| Co-Investigator(Kenkyū-buntansha) |
高木 丈夫 福井大学, 学術研究院工学系部門, 教授 (00206723)
笠松 健一 近畿大学, 理工学部, 准教授 (70413763)
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| Project Period (FY) |
2017-04-01 – 2020-03-31
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| Keywords | ボース凝縮 / スピン自由度 / 量子渦 / ホップ写像 / スキルミオン / 超流動ヘリウム |
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| Outline of Annual Research Achievements |
研究代表者中原は，前年度までの科研費「リー代数を用いた非断熱量子制御の研究」で開発した量子位相を非断熱的に印可する方法を用いて，新たなトポロジカル励起の生成を研究した．まず，3次元光トラップに閉じ込められたスピン１ポーラー相のボース凝縮体（以下BEC）において，3次元4重極磁場と軸方向の強い一様磁場を非断熱制御の処方に従って時間的に変化させる．すると非断熱制御が厳密に成り立つ点の半径を制御することにより，任意のHopfチャージを持ったリンク構造が生じることを示した．の構造は2次元球面の3次ホモトピー群で分類される．次にスピン2のBECのサイクリック相およびバイアキシャル・ネマティック相において非断熱を用いた3次元Skyrmionの生成を研究した．これ等のオーダーパラメターは3次元球の3次のホモトピー群で分類されるが，複雑な対称性を反映して，Skyrmionは24や16の大きな写像度を持つことを示した．また，BECにおいて一様な運動量密度を持つ波束を生成するポテンシャルを増田，中村らによって開発された「早送り理論」を用いて導出し，その非自明なスケーリング則を研究した．
分担者高木は平行平板中超流動ヘリウム3-A相での半整数量子渦について，実験家と共同研究を行った．
分担者笠松は擬2次元一様系におけるBEC中の巻き数2の量子渦の安定性を理論的に調べた．システムサイズが十分大きくなると，不安定性を引き起こす素励起の振動数の虚部が有限の値に収束し，一様系において多重量子渦は動的に不安定であることを明らかにした．また，有限磁場下における超流動ヘリウム3--B相の渦芯構造と相図を研究した．
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
2: Research has progressed on the whole more than it was originally planned.
Reason
平成29年度に採択された日本とフィンランドの二国間共同セミナーにより，本研究計画は大幅に進めることができた．平成29年度の研究計画に述べた，当研究の代表者，分担者，研究協力者の多くが参加する研究グループ会議は，6月にフィンランドで行った二国間セミナーにより，当初の目的を上回る達成度が得られた．BECでは，渦糸ポンプの研究を行う予定であったが，これは前倒しとなり，平成28年度中に論文として出版することができた．また，F=1のBECにおける結び目構造やF=2のBECにおけるスキルミオンも年度内に解析を終え出版することができた．また，当初研究計画に含まれていなかった，BECにおいて一様な運動量密度を持つ波束を生成するポテンシャルを「早送り理論」を用いて導出することができた．
超流動ヘリウム3の研究はやや遅れているが，B相の渦の研究は笠松の数値計算のコードの開発がほぼ終わり，平成30年春の日本物理学会で最初の成果を報告することができた．高木も京大の実験グループと共同研究を行った「平行平板中超流動ヘリウム3-A相での半整数量子渦」について，学会発表を行い，論文も投稿中である．
これらの成果から，当初の研究計画はほぼ順調に進行していると思われる．
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| Strategy for Future Research Activity |
平成30年度は前年度の研究で未完の部分，特に磁場の下での超流動ヘリウム3-Bの量子渦の相図を完了させるとともに，当初の平成30年度の研究計画を遂行する．中原と笠松は人工ゲージ場を用いた量子渦の非断熱生成の研究に取り掛かる．今年度は数値計算と数式処理を駆使した計算を行いたいので，ソフトウエア，ハードウエアともに，より強力なもの（高性能CPU, 大容量メモリーなど）に更新する．
前年度のフィンランドとの2国間セミナーを小規模にしたワークショップを日本で開催する．研究協力者のShinは昨年度の二国間セミナーに参加できなかったので，今回はぜひ参加を実現したい．また，研究の進捗状況によっては，フィンランドを訪問し，共同研究を進めていく．
必要に応じて，数学者や原子物理学者，超低温研究者を近畿大学に招聘し，講演および議論を依頼する．
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| Causes of Carryover |
平成29年度は日本とフィンランドの二国間セミナーが採択され，6月に実施したので，中原が共同研究のためにフィンランドを滞在する期間を減らすことができた．次年度使用額は，平成30年度に開催予定のワークショップの規模拡大または外国人研究者の招聘，訪問に用いる．
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