2021 Fiscal Year Research-status Report
Spin current generation by vorticity in quantum fluid
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21K03456
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| Research Institution | Kwansei Gakuin University |
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Principal Investigator |
堤 康雅 関西学院大学, 理学部, 講師 (10631781)
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2021-04-01 – 2026-03-31
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| Keywords | 液体ヘリウム３ / ボルツマン方程式 / スピン分極 |
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| Outline of Annual Research Achievements |
本研究は、スピン角運動量と量子流体の渦度の結合（スピン渦度結合）により生成されるスピン流を微視的な理論計算から定量的に示すことが目的である。定性的には、量子流体の渦度はスピンにはたらく有効磁場とみなすことができる。
今年度は、常流動状態の液体ヘリウム３を半無限空間に満たした状況を考えて、境界を高周波で振動させたときに生成されるヘリウム３の核スピンのスピン流について研究を行った。境界を振動させた際の液体ヘリウム３の流速の空間分布と時間変化は、線形化したボルツマン方程式を解くことで解析的に求められるので、ヘリウム３核スピンへの有効磁場をもたらす渦度も流速分布を空間微分することで解析的に計算することができる。得られた有効磁場の下で線形化したボルツマン方程式を解き、スピン分極とスピン流の空間分布、時間変化について導出した。スピン分極とスピン流はボルツマン方程式の衝突積分にも寄与するので、本来であれば、これらがボルツマン方程式を自己無撞着に満たすまで数値計算を繰り返して解を求める必要がある。ただし今回は、スピン分極とスピン流が満たすべき連続の式を考慮することで、数値積分を実行するだけでスピン分極とスピン流が求められた。
境界でのスピン流は、液体ヘリウム３を封入した容器の壁面に流れ込むスピン流に対応しており、実験での観測が期待できる。境界でのスピンフリップ散乱確率はスピン流に強く影響すると考えられるので、容器の壁面に流れ込むスピン流の大きさと境界条件について研究を進める予定である。
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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
本研究で扱うボルツマン方程式は自己無撞着に解く必要があるので、数値計算において困難が生じることを予想していたが、今年度の状況設定では、数値積分のみで自己無撞着な解を求めることができた。研究を発展させる境界条件に関する新たな課題は出てきたが、おおむね順調に進展しているといえる。
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| Strategy for Future Research Activity |
今年度研究を行った液体ヘリウム３を封入した容器の壁を高周波で振動させたときに生成されるスピン流に関して、容器の壁面に流れ込むスピン流の大きさは、境界でのスピンフリップ散乱確率に強く影響されると考えられる。スピン流の大きさの境界条件への依存性を明らかにすることで、スピン流を効率的に生成するための実験条件を明らかにする。
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| Causes of Carryover |
今年度の理論計算は数値積分の実行で処理することができたため、数値計算用のワークステーションを購入する必要がなかった。次年度に計算処理能力が高い最新式のワークステーションを購入する計画である。
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