齊藤 国靖

時間的に変化するダイナミックな状態のことを非平衡状態といい、理想的な平衡状態よりも考えるのが難しく、まだ解らないことが沢山あります。また、私達の身の周りの物質は非平衡状態であることが多く、時々刻々と変化する多様な構造を普段から目の当たりにしています。この様な非平衡状態を保つにはエネルギーの流れが必要であり、物質に外力を加えると同時に、物質の内部でエネルギーを失う（散逸する）メカニズムが必要です。その端的な例が摩擦力や粘性力であり、粉体やコロイドなど、原子や分子に比べてはるかに大きな粒子の集まりにおいて、非平衡状態は容易に維持されます。そこで、エネルギーを散逸する粒子の非平衡状態を理解するため、理論的な計算や数値シミュレーションを駆使して研究に取り組んでいます。例えば、図はランダムに配置された粒子内部の応力鎖を可視化したもので、複雑な力のネットワークが空間に張り巡らされている様子が解ります。

物質の非平衡状態を扱う非平衡物理学が研究室のテーマです。特に、粉体など巨視的な粒子の集まりである散逸粒子系について、理論と数値計算の両面から研究に取り組んでいます。散逸粒子系には個々の粒子がエネルギーを保存しないという特徴があり、外力によって駆動することで、エネルギーの注入と散逸がバランスした非平衡定常状態が実現されます。この特徴を利用し、非平衡状態における輸送現象、レオロジー、乱流構造、動的不均一性、応力鎖の組み換えなどを調べ、これまでの非平衡物理学をさらに拡張しようと試みています。また、散逸粒子系のジャミング転移が固有振動や粘弾性に果たす役割なども明らかにしようとしています。

卒業研究では身の周りの散逸粒子に着目し、粉体や泡、コロイドや油滴（エマルジョン）などのソフトマターや、生物の集団をモデルするアクティブマターの性質を理論的に調べます。また、パーコレーション、フラクタル、ネットワークなど、より抽象的な概念に基づいた複雑系も研究対象です。この様に、物理学だけでなく、化学、生物学、社会科学にも関わる分野横断的なテーマに取り組むのが特徴です。これらの研究を支えているのはコンピューターを用いた数値計算であり、非平衡物理学に基づくデータ解析が卒業研究の重要な部分になります。