2019 Fiscal Year Research-status Report
軌道角運動量を持つ電子サイクロトロン波動の伝搬がプラズマ加熱に与える影響の解明
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19K14687
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| Research Institution | National Institute for Fusion Science |
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Principal Investigator |
辻村 亨 核融合科学研究所, ヘリカル研究部, 助教 (00732744)
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| Project Period (FY) |
2019-04-01 – 2022-03-31
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| Keywords | 電子サイクロトロン波 / 光のHall効果 / 磁化プラズマ / Berry曲率 / 偏波 / 光渦 / 軌道角運動量 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は電子サイクロトロン加熱において、光の軌道角運動量が異方性媒質である磁化プラズマ中の伝搬にどのように影響するかを解明することを目的としている。偏光が光の伝搬に影響し、屈折率の変化と垂直な方向に伝搬軌道がずれることが知られている。この光の偏光由来のHall効果による光の伝搬軌道の横ずれは、スピンに起因するBerry曲率によって影響されると理解されている。Berry曲率は磁場のようなものと解釈でき、波数空間で働くローレンツ力のような力が実空間において横ずれを引き起こす。
本年度は、磁化プラズマ中の平行伝搬の場合と垂直伝搬の場合のそれぞれの固有モードに対してまずBerry曲率を求めた。その結果、Berry曲率は波数がゼロになるときに発散的に増加することが示され、すなわち異常波（Xモード）の場合には、右手カットオフ層で反射する際に、この新しい横ずれの効果が期待できる。
この理論を基に、Xモードの場合の2次元空間における伝搬を全波計算によって検証した。計算の結果、従来の伝搬軌道からの横ずれが発生し、その向きは屈折率の勾配と磁場に垂直な方向によって決まることが分かった。磁場の向きを正負変えることによって、横ずれの向きも変わり、2次元平面内で波長程度の大きさの横ずれを観測した。
光にはスピン（偏光）による角運動量以外にも、らせん状の波面を持つ光渦が有する軌道角運動量という自由度があり、その光渦により発生するBerry曲率がもたらす横ずれも、3次元空間における初期的な全波計算によって明らかになった。
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| Current Status of Research Progress |
Current Status of Research Progress
1: Research has progressed more than it was originally planned.
Reason
偏波が電子サイクロトロン波の磁化プラズマ中での伝搬軌道に与える影響について、当初は偏波をスキャンしながら数値的に軌道の横ずれの量を明らかにしていく予定であったが、各固有モードに対する伝搬軌道の横ずれの量を理論的に明らかにすることができ、それを数値的に検証する流れに変更することができたため、計算コストの削減につながった。
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| Strategy for Future Research Activity |
本年度は電子サイクロトロン波の一回の反射における伝搬軌道の横ずれの量を評価した。今後は実験的に検証することを目指して、横ずれの量が波長のオーダー以上に大きくなるような系が存在するかどうかを探索し、それが磁化プラズマがどのような条件のときに発現するかを求める。その数値的検討作業を行った後に、効率的な実験内容を提案し、電子サイクロトロン加熱実験により検証していく。
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| Causes of Carryover |
研究において当初計画していた数値計算を大規模に行う予定であったが、理論的な検討が当初の想定を超えて進んだ結果、数値計算による物理検証にかける計算資源を削減することができた。次年度においては、本年度の想定以上の結果を基に、大規模な数値計算を行ったり、計算結果を解析するための計算機サーバーの購入、および研究結果を国際会議で発表するための旅費などに使用する計画である。
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