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

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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．