市大ら,量子乱流のユニークな構造を発見

大阪市立大学と慶應義塾大学は,極低温状態で発生する量子乱流の発達に伴い,常流体の速度分布が大きく変形することを発見した(ニュースリリース)。

自然界にある,さまざまな気体や液体の流れの多くは,流れが複雑に乱れた「乱流」であり,その発生メカニズムや特徴については,まだ十分な解明はなされていない。約500年前,レオナルド・ダ・ヴィンチは“渦”こそが乱流を理解する重要な鍵であると指摘したが,この渦は定義も存在も不明瞭で,ダ・ヴィンチの提案は十分には確認されていない。

低温物理学の分野では,物質が極低温になることで生じる現象として,金属では電気抵抗がゼロになる“超伝導”が,流体では液体の粘性がゼロになる“超流動”が報告されている。液体ヘリウムにおいて観測される超流動現象は,量子力学に支配された現象であることが知られている。この超流動現象を理解するために,粘性がなくなった超流体と粘性を持つ常流体が混在した「二流体モデル」が提案されている。

二流体モデルは,低温物理学のさまざまな現象の解明に貢献した一方,量子渦の変形・輸送で表現される超流体と水のように空間を隙間なく満たす常流体は性質があまりに異なり,複雑なため,実験結果を説明する計算はしばらく不可能と考えられてきた。

研究グループは,超流体の運動を担う量子渦を数式で表した方程式と,常流体の流れを表す方程式(ナヴィエ・ストークス方程式)を連立させて,大規模な数値計算を行 なった。それにより,量子渦が成長し毛玉状の量子乱流を作ると,常流体の速度分布が大変形を起こすことを見出し,2015年にアメリカの実験グループが行なった特徴的な流体挙動の可視化実験を,初めて説明することができた。

量子渦は,身の回りにあふれる普通の流体中の普通の渦よりも,むしろ安定で明確に定義できる存在であり,「乱流は渦からなる」という500年前のダ・ヴィンチのアイデアを検証することができた。

この研究成果は,砂を含んだ水の流れのような混相流現象の理解にも波及する。また,超流動を冷媒として用いたさまざまな冷却技術の発展に繋がる。

低温物理学の分野では,二流体が関与するさまざまな実験が行なわれているが,この計算手法を活用することで,実験では計測困難な諸量を詳細に把握できるようになり,二流体現象の理解・解明が進展する。二流体がともに乱流になると何が起こるか,ひいては,自然界の最終問題の一つと言われる乱流の解明にも迫ることができるとしている。

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