Structure of quantized vortices in turbulence driven by two-fluid flow

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本研究は、超流動ヘリウムの超流動と常流動の二流体流れ場で発生する乱流について、量子渦の観測からその渦構造を研究する。最近の我々の研究から、振動物体が駆動する流れ場で量子乱流が発生すると量子渦輪を放出することを明らかにし、量子渦輪を実験的に検出する方法を確立した。これらの研究成果をもとに、二流体流れ場で発生する乱流を、放出する渦輪の検出によって明らかにする。これまでの研究実績は以下のとおりである。１．細管でつないだ二つの層を超流動ヘリウムで満たし、片方の層から細管に沿って熱を流すことで細管内に二流体流れ場を駆動する。熱流による流れ場の制御で、臨界速度以上で乱流が発生する。細管内径より十分細い量子渦輪検出器を細管端のすぐ外側に置き、量子渦輪の検出を行った。臨界速度以上の流れ場で量子渦輪を検出することに成功し、二流体流れ場の乱流から量子渦輪が放出されることを明らかにした。２．乱流発生から量子渦輪検出までの時間を測定したところ検出時間は広く分布し、その統計則は指数分布を示すことを明らかにした。この結果は、乱流から放出される量子渦輪が時間もしくは方向に対しランダムに運動することを示している。これは我々がこれまでに明らかにした振動物体が生成する乱流と同様の現象であることを確認した。３．流れ場の速度上昇にともない、量子渦輪の平均検出頻度が上昇する。この結果は、流路中に発生する乱流の量子渦密度の上昇を示唆する。これは、過去に行われた第２音波による量子渦密度上昇の研究結果と一致する。４．量子渦輪の平均検出密度は、ある速度を境に急上昇することを見出した。過去に行われた量子渦密度上昇の研究結果との対応から、流路内の乱流がその速度で変化するためと考察される。