2020 Fiscal Year Annual Research Report
超流動ヘリウムにおける量子流体力学と量子乱流の理論的および数値的研究
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20J23131
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| Research Institution | Osaka City University |
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Principal Investigator |
乾 聡介 大阪市立大学, 大学院理学研究科, 特別研究員(DC1)
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2020-04-24 – 2023-03-31
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| Keywords | 超流動ヘリウム4 / 量子渦 / 熱対向流 / 局所量子渦タングル / 量子乱流 / 量子流体力学 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
超流動ヘリウムにおける量子渦糸の運動の解析を数値計算で行い、それに関する3編の論文を出版した（内2編で筆頭著者）。超流動ヘリウムは非粘性の超流体と粘性の有る常流体で構成され、“量子渦”とは渦芯の周りの流れ強さがいつも一定の、超流動中でのみ存在的する特殊な渦である。量子渦は常流体成分を散乱することで流体と相互作用し、それを介して渦糸を“成長”させることが可能である。３編の論文ではそれぞれ異なった条件/環境で成長した局所的な量子渦の構造（局所量子渦タングル）の解析と議論を行なった。以下が論文[(1)-(3)]の概略である。
(1)超流動ヘリウム中の巨視的な“吸い込み渦”によって作られる量子渦の構造について議論した。“吸い込み渦”とは水を貯めた浴槽の栓を向いた時に現れる渦構造である。その渦は日常生活で身近なものであるが、古典流体の分野において完全に理解されていない。近年、実験的に超流動中で吸い込み渦が形成される事が確認された。 そこで我々はその巨視的な渦構造形成を支える量子渦の非自明な構造を数値的に議論し、吸い込み流を停止させた時の渦糸長さ密度の拡散を実験的に観測する事で、その構造を決定できる可能性があることを提唱した。
(2)超流動ヘリウム中の局所的な熱源の周囲における量子渦の振る舞いについて議論し、熱源周囲で確認された球殻状の局所量子渦タングルについての報告を行なった。そのタングル形成は個々の渦輪の運動と背景の速度場（熱対向流）から定性的に理解される事を示した。一方で、定量的な理解には抜本的な数値計算手法の改良が必要であり、本年度の後半はそれに取り組み、概ね完成した。
(3)局所的量子渦タングルから放出される渦輪と統計的性質の議論を行なった。この論文においての本研究員の立ち位置は共同研究者であり、今後も筆頭著者および他の共同研究者と積極的に議論を行い研究を推進してゆく予定である。
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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
上記の(2)で言及した抜本的な数値計算手法の改良に本来の予定より時間がかかってしまったが、その間に関連する分野の（従来の計算法方で取り扱い可能な）問題に取り組み、一定の成果を出し論文の出版まで達成できた為。本年度の後半および来年度以降の主題となるのはその計算手法を用いた量子渦と熱流の結合ダイナミクスの数値計算である。その計算手法は概ね完成したが、その数値計算結果の評価や先行研究の再現は未だ準備段階であり、その達成を急ぐ。
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| Strategy for Future Research Activity |
上記の様に本年度に概ね完成した量子渦と熱流の結合ダイナミクスの数値計算手法の評価を急ぎ、先行研究の再現（量子渦と一次元的な熱流）を速やかに達成する。その結果を論文にまとめ発表する。完了次第、本研究課題の次のステップである局所熱源と量子渦の結合ダイナミクスに着手する。可能な限り学会/ワークショップに参加し他の研究者との意見交換を行い、本研究課題にフィードバックする。また、上記の成果(1)及び(2)で扱っている問題や本研究課題に関連する様々な現象にも共同研究者らと議論を重るなど、積極的に取り組んでゆき、超流動ヘリウムの新たな可能性を切り開いてゆく。
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