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

超流氦中量子流体动力学和量子湍流的理论和数值研究

• 批准号: 20J23131
• 负责人: 乾 聡介
• 金额: $ 1.6万
• 依托单位: Osaka Metropolitan University (2022)Osaka City University (2020-2021)
• 依托单位国家: 日本
• 项目类别: Grant-in-Aid for JSPS Fellows
• 财政年份: 2020
• 资助国家: 日本
• 起止时间: 2020-04-24 至 2023-03-31
• 项目状态: 已结题
• 来源: https://kaken.nii.ac.jp/en/grant/KAKENHI-PROJECT-20J23131/
• 关键词: 超流動ヘリウム４; 量子渦; 一流体拡張模型; 量子流体力学; 超流動; 格子ボルツマン法; 超流動ヘリウム4; 熱対向流; 局所量子渦タングル; 量子乱流

超流動ヘリウム４における様々な現象は従来、二流体模型と呼ばれる模型で説明されてきた。それは有限温度の超流動を粘性の無い「超流体」成分と粘性のある「常流体」成分で構成されていると考えるものであり、超流動性を現象論的に議論することを可能にする。二流体模型は広く受け入れられている模型であるが、超流動性を説明する唯一の模型では無い。我々はもう一つの模型である「一流体拡張模型」に基づいた超流動ヘリウム４の数値計算手法（二次元系）の確立を進め、達成することができた。その数値計算手法を用い幾つかの特徴的な超流体の運動を再現することに成功した。それらの結果や二流体模型から予期される結果との比較を国内学会及び国際学会において発表した。一流体拡張模型は国内の量子流体分野ではまだあまり周知されていない模型ではあるが、我々の発表を通してこの模型のメリットや物理的なモチベーション等を伝えることができたと考えている。その結果として学生優秀発表賞（領域６）の受賞につながったと考えられる。数値計算手法の詳細や物理的背景は学位論文（英文）で発表し、超流動現象を探る新たな手法として広く提示することができると考えている。本研究をまとめた学術論文は現在執筆中であり、次年度からの所属先で完成を急ぎ、査読付き論文として近日中に発表予定である。従来の手法では数値計算が困難かつ一流体拡張模型が有用と考えられる現象（熱流が重要な役割を果たす現象）が近年、実験において複数報告されており、それらの数値計算を本格的に実行するための下準備が本研究で概ね確立したと考えられる。

Super flow ヘ リ ウ ム 4 に お け る others 々 な phenomenon は 従 と, two fluid model to shout ば れ で る model shows さ れ て き た. そ れ は limited temperature の super flow を viscous の no い "superfluid" composition と viscous の あ る "often fluid composition" で constitute さ れ て い る と exam え る も の で あ り, superfluidity を phenomenalism に of す る こ と を may に す る. The two-fluid model <s:1> broad く is incorporated into the け れられて る る model であるが and the superfluid を indicates that the する is the only <s:1> model で and there is no く. I 々 は も う a つ の model で あ る "company, a fluid model" に base づ い た super flow ヘ リ ウ ム 4 の the numerical computing technique (secondary) の establish を め, achieve す る こ と が で き た. The そ <s:1> numerical calculation method を uses the な superfluid <e:1> motion を with the characteristics of the そ several <s:1> を to reproduce the する とに とに とに successfully た た. そ れ ら の results や two fluid model か ら to period さ れ る results と の を domestic society and international society に び お い て 発 table し た. A fluid model company, zhang は domestic の quantum fluid eset で は ま だ あ ま り known さ れ て い な い model で は あ る が, I 々 の 発 table を tong し て こ の model の メ リ ッ ト や physical な モ チ ベ ー シ ョ ン etc を 伝 え る こ と が で き た と exam え て い る. Youdaoplaceholder0 そ results と て て て Student outstanding Performance Award (Field 6) <s:1> awarded に ながったと ながったと examination えられる. The numerical computing technique の detailed dissertation (English) や physical background は で 発 table し, super flow phenomenon を agent る new た な gimmick と し て hiroo く prompt す る こ と が で き る と exam え て い る. This study を ま と め た は now write academic papers in で あ り, annual か ら の belongs で を urgent ぎ, first check 読 pay き paper と し て in recent に 発 table to set で あ る. 従 to の gimmick で は the numerical calculation difficulty が か つ fluid company, a model is a useful が と exam え ら れ る phenomenon (heat flow が important な "を cut fruit た す phenomenon) が in recent years, be 験 に お い て plural report さ れ て お り, そ れ ら の the numerical computing を this lattice に line be す る た め の が で almost ね this research established by し た と exam え ら れ る.

项目成果

Coupled dynamics of quantized vortices and normal fluid in superfluid 4He based on the lattice Boltzmann method

基于格子Boltzmann方法的超流体4He中量子化涡流与正常流体的耦合动力学

• DOI: 10.1103/physrevb.104.214503
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Inui Sosuke;Tsubota Makoto
• 通讯作者: Tsubota Makoto

レーザーアブレーション法による量子渦の可視化

使用激光烧蚀方法可视化量子涡流

• 发表时间: 2022
• 作者: 蓑輪陽介;青柳翔太;乾聡介;中川朋;朝賀我夢;坪田誠;芦田昌明
• 通讯作者: 芦田昌明

格子ボルツマン法と渦糸法を連立した2流体結合の量子乱流

结合格子玻尔兹曼法和涡旋法的二流体耦合中的量子湍流

• 发表时间: 2021
• 作者: KATO Tomohiro;IMOTO Yukari;YASUTAKA Tetsuo;KATSUMI Takeshi;A. Takii and D. Ito;村山友理，小林一郎;乾聡介，坪田誠
• 通讯作者: 乾聡介，坪田誠

Internal structure of localized quantized vortex tangles

局域量子化涡旋缠结的内部结构

• DOI: 10.1103/physrevb.104.094510
• 发表时间: 2021
• 期刊: Physical Review B
• 影响因子: 3.7
• 作者: Nakagawa Tomo;Inui Sosuke;Tsubota Makoto
• 通讯作者: Tsubota Makoto

Coupled dynamics of quantized vortices and normal fluid based on the lattice Boltzmann method

基于格子玻尔兹曼法的量子化涡流与法向流体耦合动力学

• 发表时间: 2021
• 作者: Yutaro Yamanaka;Seita Kayukawa;Hironobu Takagi;Yuichi Nagaoka;Yoshimune Hiratsuka;and Satoshi Kurihara;Sosuke Inui
• 通讯作者: Sosuke Inui