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私たちの研究室では、量子物質の中で発生する興味深い現象である「量子流体」や「トポロジカル欠陥」を研究しています。量子流体は、粒子同士が強く量子的に結びつき、従来の古典的流体とはまったく異なる挙動を示します。その中でも特に、「トポロジカル欠陥」と呼ばれる安定な渦や磁壁構造に注目しています。このようなトポロジカル欠陥は、宇宙物理学や量子情報科学において重要な役割を担うと考えられており、私たちはそれらを理論・数値解析の両面から詳しく調べています。具体的には、量子乱流や超流動、冷却原子系などの多様な系を対象とし、理論モデルの構築や数値シミュレーションを通じて現象を詳細に解明しています。
Our laboratory focuses on fascinating phenomena occurring in quantum materials, particularly "quantum fluids" and "topological defects." Quantum fluids exhibit behavior fundamentally different from classical fluids due to strong quantum correlations between particles. Among these phenomena, we focus especially on stable vortices and domain walls known as "topological defects." These defects are believed to play crucial roles in astrophysics and quantum information science. We investigate these phenomena thoroughly through both theoretical analyses and numerical simulations, exploring various systems such as quantum turbulence, superfluidity, and ultracold atomic systems.
量子流体中のトポロジカル欠陥と量子渦
Topological Defects and Quantum Vortices in Quantum Fluids
トポロジカル欠陥とは何か？トポロジカル欠陥は、量子物質が秩序状態に入る際に自然に形成される安定な構造です。例えば「量子渦」と呼ばれる渦状の構造は、量子流体が示す特徴的なトポロジカル欠陥の一つです。私たちは、これらの渦がどのように形成され、互いにどのように絡み合い、そして動的に進化するのかを研究しています。
What are topological defects? Topological defects are stable structures naturally formed when quantum materials enter ordered states. An example is the "quantum vortex," a characteristic topological defect observed in quantum fluids. We investigate how these vortices form, interact, entangle, and dynamically evolve.
スピンを持つ量子流体の新奇トポロジカル構造
Novel Topological Structures in Spinor Quantum Fluids
量子流体に「スピン」という自由度を導入すると何が起きるか？原子のスピン自由度を取り入れた量子流体（スピン1ボース・アインシュタイン凝縮体など）では、従来の単純な渦に加えて、より複雑で豊かなトポロジカル構造が現れます。最近の研究成果として、スピンを持つ量子流体に特有の「スキルミオン」などの新しいトポロジカル欠陥を理論的に発見しました。スキルミオンは特定の空間領域内でスピンが球状に絡み合う安定な構造であり、そのトポロジカル安定性によって量子情報や次世代量子デバイスへの応用が期待されています。私たちの研究室では、このような新しい構造がどのような条件下で安定に存在し、どのように操作できるのかを詳しく調べています。
What happens when the "spin" degree of freedom is introduced into quantum fluids? Quantum fluids with spin degrees of freedom, such as spin-1 Bose-Einstein condensates, exhibit richer and more complex topological structures than conventional vortices. Recently, we theoretically discovered novel topological defects such as "skyrmions," stable structures characterized by spins entangled spherically in a specific spatial region. Due to their topological stability, skyrmions are promising for quantum information and next-generation quantum devices.
量子乱流と非平衡現象の理論
Theory of Quantum Turbulence and Nonequilibrium Phenomena
量子物質で乱流が発生すると何が起きるのか？量子乱流とは、超流動状態の液体ヘリウムや超低温原子系において、量子渦が多数形成され、それらが複雑に絡み合う現象です。これは古典流体の乱流とは本質的に異なり、エネルギーがどのように運ばれ、散逸されるかという基礎的な物理が完全には解明されていません。私たちは理論解析や大規模数値シミュレーションを通じて、量子乱流の発生メカニズムやその動力学的性質、さらにエネルギーの散逸過程を詳しく調べています。また、非平衡状態での量子系が示す特異な挙動や普遍的性質にも着目し、それらの理解を深めることで、新しい量子非平衡現象の発見や量子技術への応用にもつなげていきたいと考えています。
Quantum turbulence refers to phenomena in which many quantum vortices are formed and intricately tangled, occurring in superfluid helium and ultracold atomic systems. This is fundamentally different from classical turbulence, and the basic physics of energy transport and dissipation remain incompletely understood. We use theoretical analysis and large-scale numerical simulations to investigate the formation mechanisms, dynamical properties, and energy dissipation processes of quantum turbulence.
研究の将来的な展望 (Future Perspectives)
私たちの研究室で行っている量子流体やトポロジカル欠陥に関する研究は、将来的な量子デバイス、量子コンピュータ、スピントロニクスへの応用につながることが期待されています。また、素粒子・宇宙・原子核物理などの基礎科学分野にも影響を与える可能性があり、物理学の枠を超えた広範な影響を持つ研究です。
Our research on quantum fluids and topological defects is expected to contribute to future quantum devices, quantum computing, and spintronics. It may also impact fundamental scientific fields such as particle physics, cosmology, and nuclear physics, extending beyond traditional physics boundaries.