| 研究課題/領域番号 |
22K03470
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| 研究種目 |
基盤研究(C)
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| 配分区分 | 基金 |
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| 応募区分 | 一般 |
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| 審査区分 |
小区分13010:数理物理および物性基礎関連
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| 研究機関 | 九州工業大学 |
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研究代表者 |
許 宗ふん 九州工業大学, 大学院情報工学研究院, 教授 (50325578)
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| 研究期間 (年度) |
2022-04-01 – 2025-03-31
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| 研究課題ステータス |
交付 (2022年度)
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| 配分額 *注記 |
4,160千円 (直接経費: 3,200千円、間接経費: 960千円)
2024年度: 910千円 (直接経費: 700千円、間接経費: 210千円)
2023年度: 1,040千円 (直接経費: 800千円、間接経費: 240千円)
2022年度: 2,210千円 (直接経費: 1,700千円、間接経費: 510千円)
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| キーワード | 液晶電気対流 / ノイズ / ゆらぎ / 確率共鳴現象 / 逆確率共鳴現象 / カラーノイズ / 確率共鳴 |
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| 研究開始時の研究の概要 |
生命体や地球システムのような非平衡散逸系は常にゆらぎを持つ外部環境下で存在する．本研究では液晶電気対流現象を用いて非平衡散逸系におけるゆらぎの影響を調査する．
通常，正弦波で発生するこの現象は，ゆらぎが加わると対流の発生条件だけではなく対流構造に劇的な変化が起きうる．これまでの振幅ゆらぎに加えて，この分野では初めて位相ゆらぎを導入し体系的な調査を行う．振幅ゆらぎによる逆確率共鳴現象と位相ゆらぎによる確率共鳴現象が，両ゆらぎの混合条件でどのように変化するかが，注目すべきポイントである．上記のような対流の発生条件と構造変化の調査から，非平衡散逸系の外部ゆらぎに対する応答メカニズムを解明する．
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| 研究実績の概要 |
液晶電気対流系を用いてその対流発生閾値と対流構造のノイズ影響を調査した．従来の振幅ノイズに加えて位相ノイズに対する影響を体系的に調べた．特にノイズの適切なカラー化（Low-pass filterのCutoff周波数fcの制御）を試みた結果，以下のような具体的な成果が得られた．
(1)先ず，対流の有無の状況（さらに乱流Iと乱流IIの状態）において液晶の相転移温度(Tc)をAC電圧とノイズ電圧でそれぞれ調査した．その相転移温度依存性において類似性と相違性を検討した．特に，相転移温度の電圧依存関数の違いが明らかになった．さらにノイズ電圧においては非単調的な変化が観測できた．
(2)次に，振幅及び位相ノイズのCutoff周波数を制御しながら，対流発生閾値(Vc)をCarr-Helfrichの１次元支配方程式を用いて数値計算で調査した．これまでの実験調査で，位相ノイズのみで発見した「確率共鳴現象(Stochastic Resonance)」と，振幅ノイズのみで発見した「逆確率共鳴現象(Inverse Stochastic Resonance)」が数値計算でも確認できた．さらに，その両共鳴現象が転移することを明らかにした．これは世界で初めての成果である．
(3)最後に，上記(2)の両共鳴現象の転移を，実験で再現するため，両ノイズの強度とCutoff周波数を同時に制御しながら調査した．現在では，その両ノイズによって，確率共鳴現象または逆確率共鳴現象が制御できるところまでは確認できた．
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| 現在までの達成度 (区分) |
現在までの達成度 (区分)
2: おおむね順調に進展している
理由
本研究課題に取り上げた調査項目の一つ「振幅及び位相の変調を混合した状況での静止電気対流(Williams Domains)の調査」は，以下のような理由から概ねその成果が出たと判断できる．
(1)先ず，当初予定していた数値計算の実装がMATLABを用いて，順調に進んでいる．(実験で)予想されていた対流発生閾値のふるまいが，振幅及び位相ノイズ（強度とCutoff周波数）の同時制御で再現できた．
(2)次に，典型的な液晶（MBBA）の物性値を用いて実験で観測可能な対流発生閾値が再現でき，実験調査でも確率共鳴現象及び逆確率共鳴現象を両ノイズによって観測できた．ただし，両共鳴現象の転移についてはまだ再現できていない．
(3)さらに，高強度のノイズにおいては対流の構造変化が生じることが実験的に確認できた．ノイズ強度の増加に伴い，静止パターンから局在化していく様子が確認できた．すなわち，ノイズは対流の閾値だけの問題ではなく対流の構造変化に深く関係していることが明らかになった．
(4)最後に，次年度の調査項目の一つ「局在化したパターンの発生条件と詳細構造（液晶のディレクター場）を含む発生メカニズムの解明」に対する実験的な手掛かりが見えた．
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| 今後の研究の推進方策 |
本研究課題では振幅及び位相のゆらぎを混合した状況で，①静止パターン及び進行波の発生条件及び時空間特性の変化を調査する．また，②局在化したパターンの発生条件と詳細構造（液晶のディレクター場）を含む発生メカニズムの解明ともにそのダイナミクスを調査する．さらに，③振幅及び位相の変調を混合した状況で上記①－②を調査する．
前述した前年度の成果を踏まえて，以下のように調査を進める．
(1)先ず，MBBA以外の別の液晶(例えば，EBBA等)を用いて，数値計算と実験を行い，確率共鳴現象及び逆確率共鳴現象の普遍性を確かめる．振幅及び位相ノイズの同時制御はこれまでの報告事例がなく比較対象がないため，いくつかの液晶で確かめる必要がある．
(2)次に，「進行波(Traveling Waves)」についてはこれまでガウシアン・ホワイト振幅ノイズについての調査があったが，位相ノイズまたカラーノイズについては調査事例がない．実験研究を通してその閾値や位相速度等の特徴においてのノイズ影響を調べる．
(3)最後に，前述した「局在波(Localized Patterns)」に対するノイズ影響を調査する．現在，高強度のノイズと初期液晶配向による奇妙な局在波が観測されているが，その構造の詳細(液晶のディレクター場)と発生メカニズムはまだ未解明のままである．電気光学的実験研究でそれらを調査・議論する．
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