2020 Fiscal Year Annual Research Report
超流動ヘリウムの量子乱流における２流体模型の連立ダイナミクス
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19J00967
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| Research Institution | Keio University |
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Principal Investigator |
湯井 悟志 慶應義塾大学, 自然科学研究教育センター, 特別研究員(PD)
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2019-04-25 – 2022-03-31
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| Keywords | 量子流体力学 / 低温物理学 / 超流動 / ヘリウム4 / 量子渦 / 量子乱流 / 2流体模型 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究課題は，超流動ヘリウムの量子乱流状態における超流体と常流体の連立ダイナミクスの解明を目的としている．2流体模型によると，超流動相における液体ヘリウム4は非粘性超流体と粘性常流体の混合流体として理解できる．量子乱流状態では，それら2流体間に相互摩擦が作用するようになり，2流体は互いに影響を及ぼしあいながら運動を行う．そのような2流体結合ダイナミクスは，量子流体力学の根本的な問題である．本研究課題では，2流体の連立数値計算を用いて，2流体結合ダイナミクスの解明を目指している．2流体結合ダイナミクスは，他の様々な量子凝縮系にも類似の現象の出現が期待できるので，その解明には普遍的な重要性があるだろう．
本年度の主要な研究実績の概要は以下の通りである．
(1)量子乱流のT2状態．この研究では，超流体と常流体の両方が乱流の状態の物理を探索した．このような2流体の同時乱流状態は，量子流体力学における長年の未解決問題である量子乱流のT1-T2遷移の原因だと予想されてきた．そこで，2流体模型の連立数値計算を用いて，常流体乱流が量子乱流に与える影響を解析した．研究の結果，確かに常流体乱流が量子乱流を強化し，その状態が実験のT2状態とよく一致することが明らかになった．この結果は長年の未解決問題解明への道を切り拓くことになり，大きなインパクトがあるだろう．
(2)量子乱流における渦糸の統計則．この研究では，量子乱流の構成要素である量子渦糸に関する統計則を探索した．この研究は，近年の可視化実験を動機としている．その実験では，量子乱流中の渦糸に超拡散が生じることが明らかになった．我々は，数値計算を用いて同様の状況を解析することで，量子乱流中の渦糸の超拡散を示す予備的な結果を得た．これらの研究は，量子乱流の統計則に対する新たな道を示しており，大きな意義があるだろう．
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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
2019年度に引きつづき2020年度も上述のようにインパクトのある結果が得られており，おおむね順調に進展していると言える．上述の「(1)量子乱流のT2状態」の研究結果は日本物理学会で発表し，議論を交わした．この研究の結果は，2021年度には論文として発表できるだろう．上述の「(2)量子乱流における渦糸の統計則」の研究は，予備的な結果はすでに得られており，実験研究者とも議論を重ねているので，2021年度には結果を論文として発表できるだろう．本研究課題の重要なステップは，2流体結合ダイナミクスの実装であり，これは2019年度までに基本的な部分は達成した．2020年度には，高速多重極法などによる数値計算の高速化も行ったことで，より高効率に数値計算を実行可能になった．今後はさらに活発に研究を行っていけるだろう．
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| Strategy for Future Research Activity |
現在までに，主要な手法である2流体結合ダイナミクスの数値計算を実装し，その計算の高速化を行った．今後は，この手法を用いて研究をさらに推進していく．以下は今後の主要な研究実施計画の概要である．
(1)量子乱流の素過程．この研究では，これまでに引き続き，2流体の連立数値計算を用いて量子乱流を構成する素過程を解析する．素過程としては，「量子渦輪の伝播」および「渦糸同士の再結合」などを扱う．これまでの結果に加えて，温度などのパラメータ依存性を調べる．さらに，速度ゆらぎや量子渦輪の寿命などに関する解析を行い，論文としてまとめて発表する．
(2)2流体の同時乱流状態．この研究では，2流体の連立数値計算を用いて，前述の「量子乱流のT2状態」をより詳細に調べていく．量子乱流のT2状態は超流体と常流体の同時乱流状態と考えられている．この研究では，2流体の同時乱流状態の統計量を解析して，その法則を探索する．今後は，エネルギー・スペクトル，温度依存性，管壁の効果などを調べる予定である．
(3)量子乱流のT1-T2遷移．この研究では，T1状態とT2状態の遷移領域の数値計算を行い，T1-T2遷移メカニズムの解明を行う．T1-T2遷移は，常流体成分の乱流遷移が引き起こしていると予想されてきたが，いまだに解明には至っていない量子流体力学における重要問題である．そこで，常流体の乱流遷移領域において2流体連立数値計算を行うことで，T1-T2遷移のメカニズムを探索する．常流体の乱流遷移には管壁の効果が重要なはずであるので，数値計算に管壁の境界条件を適用する．
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