Browsing by Author "Finne, Antti"

Now showing 1 - 4 of 4
  • No Thumbnail Available
    Item
    Experiments of vortex dynamics in superfluid 3He
    (Helsinki University of Technology, 2005-09-23) Finne, Antti; Department of Engineering Physics and Mathematics; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Low Temperature Laboratory; Kylmälaboratorio
    There are two stable isotopes of helium: helium-3 and helium-4. Both exhibit superfluidity at low temperatures, helium-3 at around 1 mK. The superfluidity brings some special features to the fluid, such as the possibility of frictionless mass flow and quantization of flow through vortex lines. This thesis consists of experiments performed on superfluid helium-3 under rotation, and on the vortex lines the rotation induces. The cylindrical sample is probed using nuclear magnetic resonance (NMR) and there is a possibility to stabilize two superfluid phases, the A phase and the B phase, simultaneously in the sample. We study two aspects: the dynamics of the phase boundary between the A and the B phases, and turbulent vortex dynamics in the B phase. When a sample which consists of both the A and the B phases is rotated, a velocity difference in the superfluid components can form across the phase boundary. At a sufficiently high velocity the boundary becomes unstable towards wave formation, analogously to the Kelvin-Helmholtz instability in classical hydrodynamics (e.g. waves form on water while wind blows over the surface). In regular fluids their viscosity affects the instability, these experiments are the first demonstration of the instability in superfluids. We present measurements on the criterion for the instability, and how vortex lines cross the phase boundary as a result. The instability turned out to provide unprecedented flexibility in vortex injection into the B phase and is used in the study of turbulent vortex dynamics. Many questions remain unanswered regarding classical turbulence. In a superfluid, turbulence is seen as a chaotic motion of vortex lines. Turbulence has been studied intensively in superfluid helium-4, the measurements in this thesis are one of the first to show turbulent flow in the B phase of helium-3. Experiments in helium-3 give new insight into turbulent vortex dynamics since the two fluids differ in their hydrodynamic properties, for example, in terms of damping of vortex motion, vortex formation, and the dynamics of the normal fluid background. We study which effects are important in the formation of a turbulent vortex network, how the vortex lines spread into the vortex free region, and finally how they relax into the equilibrium state. We identify a similarity parameter for the flow in an analogous fashion to the Reynolds number in normal fluid dynamics. Unlike in regular fluids, the hydrodynamic transition between regular and turbulent vortex dynamics appears to be controlled by intrinsic parameters only.
  • No Thumbnail Available
    Item
    Niobium thin-film resonators for low-frequency NMR
    (2000) Finne, Antti; Teknillisen fysiikan ja matematiikan osasto; Teknillinen korkeakoulu; Helsinki University of Technology; Salomaa, Martti M.
    Suprajuoksevan helium-3:n järjestysparametrikentän topologisia defektejä voidaan tutkia ydinmagneettisella resonanssilla (NMR). Mittauksissa käytetään rinnakkais-LC resonaattoria ja ne suoritetaan noin 1 MHz taajuudella ja 30 mT magneettikentässä. Kelan impedanssi muuttuu näytteen ollessa resonanssissa. Herkkyyden parantamiseksi resonaattori pyritään valmistamaan vähähäviöisistä komponenteista. Nykyiset resonaattorit kootaan suprajohtavasta langasta ja vähähäviöisistä erikoiskondensaattoreista. Resonaattorien hyvyysluku Q on noin 20,000. Työssä on tutkittu integroituja ohutkalvoresonaattoreita. Suprajohtava lanka on korvattu 200 nm paksulla kuvioidulla niobi filmillä. Eristekalvona on käytetty piidioksidia. Joissain kondensaattoreissa on lisäeristeenä Nb_(2)O_(5). Resonaattoreita valmistettiin sekä pii- että safiirisubstraateille. Substraattien kesken ei havaittu eroja. Tavoitteena oli saavuttaa korkea Q-arvo, parantaa stabiliteettia ja vähentää suprajohteista syntyvää epähomogeenisuutta polarisaatiokenttässä. Resonattoreiden ominaisuuksia testattiin sekä lämpötilan että magneettikentän funktiona. Kelojen Q-arvo on korkea, noin 10[5]. Kondensaattorien Q on noin 10[3] 100mK:ssa ja kasvaa voimakkaasti lämpötilan laskiessa. Dielektrisyysvakiolla on minimi noin 300mK:ssa. Resonaattorit ovat epävakaita muuttuvassa magneettikentässä. Häviötaso kasvaa tietyillä magneettikentän arvoilla. Ilmiö näkyy voimakkaimmin kondensaattoreissa. Matala Q-arvo sekä epävakaa käyttäytyminen magneettikentässä aiheutunee piidioksidieristeestä. Amorfisten aineiden dielektrisyysvakion ja häviöiden on todettu riippuvan lämpötilasta, viritystaajuudesta ja -intensiteetistä sekä sähkö- ja magneettikentistä. Kelojen Q-arvo on hyvä, joten niitä voidaan käyttää erillisten kondensaattorien kanssa. Stabiilisuutta muuttuvassa magneettikentässä joudutaan kuitenkin vielä parantamaan, mikäli keloja sovelletaan NMR mittauksiin.
  • Thumbnail Image
    Item
    Shear flow and Kelvin-Helmholz instability in superfluids
    (2002) Blaauwgeers, Rob; Eltsov, Vladimir; Eska, Georg; Finne, Antti; Haley, R.P.; Krusius, M.; Ruohio, Jaakko; Skrbek, Ladislav; Volovik, G. E.; Kylmälaboratorio
    The first realization of instabilities in the shear flow between two superfluids is examined. The interface separating the A and B phases of superfluid 3He is magnetically stabilized. With uniform rotation we create a state with discontinuous tangential velocities at the interface, supported by the difference in quantized vorticity in the two phases. This state remains stable and nondissipative to high relative velocities, but finally undergoes an instability when an interfacial mode is excited and some vortices cross the phase boundary. The measured properties of the instability are consistent with the classic Kelvin-Helmholtz theory when modified for two-fluid hydrodynamics.
  • Thumbnail Image
    Item
    Structure of the surface vortex sheet between two rotating 3He superfluids
    (2003) Hänninen, Risto; Blaauwgeers, Rob; Eltsov, Vladimir; Finne, Antti; Krusius, Matti; Thuneberg, Erkki; Volovik, Grigory
    We study a two-phase sample of superfluid 3He where vorticity exists in one phase (3He−A) but cannot penetrate across the interfacial boundary to a second coherent phase (3He−B). We calculate the bending of the vorticity into a surface vortex sheet on the interface and solve the internal structure of this new type of vortex sheet. The compression of the vorticity from three to two dimensions enforces a structure which is made up of 12-quantum units, independently of the structure of the source vorticity in the bulk. These results are consistent with our NMR measurements.