Studies of quantum hydrodynamics and quantum turbulence

2022 Fiscal Year Final Research Report

• Project/Area Number: 20H01855
• Research Category: Grant-in-Aid for Scientific Research (B)
• Allocation Type: Single-year Grants
• Section: 一般
• Review Section: Basic Section 13030:Magnetism, superconductivity and strongly correlated systems-related
• Research Institution: Osaka Metropolitan University (2022); Osaka City University (2020-2021)
• Principal Investigator: Tsubota Makoto 大阪公立大学, 大学院理学研究科, 教授 (10197759)
• Project Period (FY): 2020-04-01 – 2023-03-31
• Keywords: 量子流体力学 / 量子乱流 / 超流動ヘリウム / 量子渦 / ボース・アインシュタイン凝縮 / 乱流

Outline of Final Research Achievements

Theoretical and numerical studies of quantum hydrodynamics and quantum turbulence have been performed on superfluid helium and atomic Bose-Einstein condensates (BEC). The main results are as follows.
Superfluid helium: (1) Formulation of the dynamics of full coupling of two fluids, (2) Formation of local turbulence, its internal structure, and vortex ring emission from it, (3) Superdiffusion of quantum vortices, and (4) Visualization of quantum vortices using silicon nanoparticles
Atomic BEC: (1) annihilation and recurrence of vortex pairs in a two-component BEC, (2) interaction between vortices of different components in a two-component BEC, and (3) restoration of isotropic symmetry in turbulent flows in a box potential

Free Research Field

低温物理学、物性理論

Academic Significance and Societal Importance of the Research Achievements

いずれの研究も、低温物理学における重要分野である量子流体力学および量子乱流の研究の最先端を切り拓くものである。例えば、超流動ヘリウムの２流体完全結合ダイナミクスは、1940年代に２流体モデルが提案されて以来、低温物理学の分野の宿願であった。そしてこの我々の貢献により、ここ数年著しく発展した可視化実験の理解を可能にした。また局所量子乱流の研究は、ここ最近注目されている微小空間における量子流体力学研究の先駆けとなる。また、世界の実験研究に与える影響は極めて大きい。