超流動ヘリウムの量子乱流における2流体模型の連立ダイナミクス

超流氦量子湍流中双流体模型的耦合动力学

基本信息

批准号：
19J00967
负责人：
湯井悟志
金额：
$ 2.58万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2019
资助国家：
日本
起止时间：
2019-04-25 至 2022-03-31
项目状态：
已结题

项目摘要

本研究課題の目標は，超流動ヘリウムにおける超流体と常流体の結合ダイナミクスの解明である．ランダウの2流体模型によると，超流動状態の液体ヘリウム4は非粘性の超流体と粘性のある常流体の混合流体として理解することができる．超流体の乱流は量子乱流とよばれ，様々な量子凝縮系に普遍的に出現し得る．量子乱流状態では2流体の間に相互摩擦力が働くようになり，2流体が互いに影響を与えながら運動を行う．そのような2流体結合ダイナミクスは量子流体力学における根本的かつ重要な問題であるが，多くの部分が謎に包まれている．主な研究実績は以下の通りである．(1)2流体の同時乱流状態．2流体両方が乱流である状態は，量子流体力学の長年の未解明問題である量子乱流のT2状態の原因であると予想されてきた．そこで，T2状態の解明に取り組むために，我々は2流体模型の数値計算を用いて2流体同時乱流状態を研究した．結果として，確かに常流体乱流が量子乱流強度を上昇させること等が明らかになった．それらの結果は，T2状態が2流体同時乱流状態であるという考えを支持していた．現在は，より広いパラメータでのデータ等，さらに説得力のある結果を集めており，近いうちに論文として研究内容を発表する予定である．(2)量子乱流の異常拡散．乱流拡散は重要なテーマであり，古典流体においては盛んに調べられてきたが，量子流体においてはほとんど未解明のままである．本研究では，実験グループと協力して量子乱流中の量子渦の拡散について渦糸モデルの数値計算を用いて調べた．結果として，短い時間スケールにおいて量子渦は異常拡散(超拡散)を示すことが明らかになり，長い時間スケールでは量子渦の再結合の影響が顕著になり常拡散を示すことが明らかになった．これらの研究結果は，他の様々な量子流体における乱流拡散の研究につながる可能性があり，大きなインパクトがあるだろう．

该研究主题的目的是阐明超流体氦气中超流体和普通流体之间的耦合动力学。根据Landau的两流体模型，超流体状态下的液氦4可以理解为无粘性和粘性普通液的混合液。超流体的湍流称为量子湍流，可以在各种量子冷凝系统中普遍发生。在量子湍流状态下，相互摩擦力在两种流体之间变得活跃，两种流体在相互影响的同时移动。这种两流体耦合的动力学是量子流体机械师的基本和重要问题，但许多人笼罩着神秘。主要的研究结果如下：（1）两种流体的同时湍流状态。预计两种流体都是湍流的状态是量子湍流的T2状态，这是量子流体力学中的长期问题。因此，为了阐明T2态，我们使用两个流体模型的数值计算研究了两种流体的湍流状态。结果，已经发现正常的流体湍流会增加量子湍流强度。这些结果支持了T2状态是两种流体的湍流状态的想法。目前，我们正在收集更具说服力的结果，例如具有更广泛参数的数据，我们计划很快将我们的研究发布在论文中。（2）量子湍流的异常扩散。湍流扩散是一个重要的主题，尽管它已经在经典流体中进行了广泛的研究，但在量子流体中基本上仍然未知。在这项研究中，我们与实验组合作，使用涡流模型的数值计算来研究量子涡流在量子湍流中的扩散。结果，据表明，量子涡流在短时间尺度上表现出异常扩散（超扩散），并且量子质量重组对长时间尺度具有显着影响，表明正常扩散。这些发现可能导致研究其他各种量子流体中湍流扩散的研究，并且会产生重大影响。

项目成果

期刊论文数量（24）

专著数量（0）

科研奖励数量（0）

会议论文数量（0）

专利数量（0）

Fully Coupled Two-Fluid Dynamics in Superfluid He4 : Anomalous Anisotropic Velocity Fluctuations in Counterflow

超流体 He4 中的完全耦合二流体动力学：逆流中的反常各向异性速度脉动

DOI：
10.1103/physrevlett.124.155301
发表时间：
2020
期刊：
Physical Review Letters
影响因子：
8.6
作者：
Yui, Satoshi;Kobayashi, Hiromichi;Tsubota, Makoto;Guo, Wei
通讯作者：
Guo, Wei

Energy transfer caused by coupled dynamics between quantized vortices and normal fluid in superfluid 4He

超流体 4He 中量子化涡流与正常流体之间的耦合动力学引起的能量传递

DOI：
发表时间：
2019
期刊：
影响因子：
0
作者：
Katsuki Aoki;Shinji Mukohyama;and Ryo Namba;S. Yui
通讯作者：
S. Yui

量子乱流状態における超流動の2流体模型：量子渦と熱励起成分の相互作用が引き起こす奇妙な現象

量子湍流态超流体的双流体模型：量子涡流与热激发成分相互作用引起的奇怪现象

DOI：
发表时间：
2021
期刊：
最近の研究から，日本物理学会誌
影响因子：
0
作者：
Baba;S.;Imanishi;M.;Izumi;T.;Kawamuro;T.;Nguyen;D. D.;Nakagawa;T;Isobe;N.;Onishi;S.;Matsumoto;K.;湯井悟志，小林宏充，坪田誠
通讯作者：
湯井悟志，小林宏充，坪田誠

超流動4Heにおける常流体の速度変動

超流体 4He 中正常的流体速度波动