Microscopic and Macroscopic Studies of Liquid and Solid Helium Mixtures

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tuoriniemi, Juha, Doc.
dc.contributor.author Rysti, Juho
dc.date.accessioned 2013-08-14T09:00:25Z
dc.date.available 2013-08-14T09:00:25Z
dc.date.issued 2013
dc.identifier.isbn 978-952-60-5245-8 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-5244-1 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn 1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn 1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.uri https://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/10887
dc.description.abstract At low temperatures, helium offers a unique system for the study of quantum mechanical effects on a macroscopic scale. It is the only known condensed matter system, which remains liquid down to the absolute zero temperature. For this reason, helium forms a unique quantum liquid, which can be studied in laboratory conditions. The two stable isotopes of helium, 3He and 4He, obey the two different quantum statistics, 3He being a fermion and 4He a boson. They both undergo a transition into a superfluid state at low temperatures. A new interesting system is obtained by mixing the isotopes. Remarkably, 3He has a finite solubility in 4He even at zero temperature. Dual Fermi-Bose superfluidity of helium mixtures has been predicted to exist, but it has not been observed experimentally. The difficulty is the required extremely low temperature. Adiabatic melting of solid 4He in the presence of liquid 3He is a promising new cooling technique, which is hoped to produce the superfluid transition of helium mixtures. We have been preparing an experiment, which would implement this concept, but due to the complicated experimental setup, we have not yet been able to harvest the full power of the method. The results of this thesis revolve around supporting work for this experiment. In the course of the present studies, some aspects have generated deeper interest in their own right. In this thesis properties of liquid and solid helium mixtures are studied computationally and experimentally. Interactions between 3He atoms dissolved in superfluid 4He are investigated by analyzing experimental data. These interactions determine the transition temperature of the relished superfluid state of helium mixtures. The obtained model for the interactions is further used to calculate other quantities of interest. Retrieving the properties of liquid helium requires novel tools. One such tool, which was introduced to helium research not too long ago, is the quartz tuning fork. It is a mechanical oscillator, whose resonant behavior depends on the surrounding fluid environment. Its complicated geometry presents difficulty in analyzing its characteristics. Numerical methods are utilized in this thesis to understand effects of liquid helium on the quartz tuning fork response. en
dc.description.abstract Matalissa lämpötiloissa helium on ainutlaatuinen systeemi kvanttimekaanisten ilmiöiden tutkimiseen makroskooppisessa mittakaavassa. Se on ainut tunnettu systeemi, joka pysyy nesteenä lämpötilan absoluuttiseen nollapisteeseen asti. Tästä johtuen heliumista muodostuu ainutlaatuinen kvanttineste, jota voidaan tutkia laboratorio-olosuhteissa. Heliumin kaksi vakaata isotooppia, 3He ja 4He, noudattavat kahta eri kvanttistatistiikkaa, 3He:n ollessa fermioni ja 4He:n bosoni. Molemmat muuttuvat supranesteiksi matalissa lämpötiloissa. Uusi mielenkiintoinen systeemi saadaan aikaiseksi sekoittamalla näitä isotooppeja. Yllättäen 3He liukenee 4He:än jopa absoluuttisessa nollapisteessä. Heliumseoksen fermioni-bosoni - kaksoissupranesteen on ennustettu olevan olemassa, mutta sitä ei ole vielä havaittu kokeellisesti. Vaikeutena sen saavuttamisessa on tarvittava lämpötila, joka on äärimmäisen matala. Helium-4:n adiabaattinen sulatus 3He:n joukkoon on uusi lupaava jäähdytystekniikka, jonka toivotaan mahdollistavan heliumseosten suprajuoksevuuden saavuttamisen. Olemme valmistelleet koetta, jossa käytettäisiin tätä menetelmää, mutta monimutkaisen koejärjestelyn vuoksi emme ole vielä päässeet hyödyntämään sen täyttä potentiaalia. Tämän väitöskirjan tulokset liittyvät kyseistä koetta tukevaan työhön. Tutkimusten edetessä jotkin osa-alueet ovat muodostuneet itsessään mielenkiintoisiksi tutkimuskohteiksi. Tässä väitöskirjassa nestemäisten ja kiinteiden heliumseosten ominaisuuksia tutkitaan laskennallisesti ja kokeellisesti. Helium-3 -atomien välisiä vuorovaikutuksia 4He:ssä tarkastellaan analysoimalla kokeellisia tuloksia. Nämä vuorovaikutukset määräävät lämpötilan, jossa heliumseos muodostaa odotetun supranestetilan. Saadulla vuorovaikutusten mallilla lasketaan myös muita hyödyllisiä ominaisuuksia. Heliumin ominaisuuksien tutkiminen vaatii uudenlaisia työkaluja. Eräs tällainen työkalu, joka on melko uusi heliumtutkimuksessa, on ääniraudan muotoinen kvartsivärähtelijä. Se on mekaaninen värähtelijä, jonka resonanssiominaisuudet riippuvat ympäröivän aineen ominaisuuksista. Näiden värähtelijöiden monimutkainen geometria vaikeuttaa niiden värähtelyominaisuuksien tarkastelua. Tässä väitöskirjassa tutkitaan nestemäisen heliumin vaikutuksia kvartsivärähtelijöihin numeerisin menetelmin. fi
dc.format.extent 198
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso en en
dc.publisher Aalto University en
dc.publisher Aalto-yliopisto fi
dc.relation.ispartofseries Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS en
dc.relation.ispartofseries 110/2013
dc.relation.haspart [Publication 1]: J. Rysti, J. Tuoriniemi, and A. Salmela. Effective 3He interactions in dilute 3He-4He mixtures. Physical Review B 85, 134529 (2012).
dc.relation.haspart [Publication 2]: Anssi Salmela, Alexander Sebedash, Juho Rysti, Elias Pentti, and Juha Tuoriniemi. Osmotic pressure of 3He/4He mixtures at the crystallization pressure and at millikelvin temperatures. Physical Review B 83, 134510 (2011).
dc.relation.haspart [Publication 3]: J Rysti, J Tuoriniemi, A Salmela, and A Sebedash. Melting pressure of saturated helium mixture at temperatures between 10 mK and 0.5 K. Journal of Physics: Conference Series 400, 012065 (2012).
dc.relation.haspart [Publication 4]: Elias Pentti, Juho Rysti, Anssi Salmela, Alexander Sebedash, and Juha Tuoriniemi. Studies on Helium Liquids by Vibrating Wires and Quartz Tuning Forks. Journal of Low Temperature Physics 165, 132 (2011).
dc.relation.haspart [Publication 5]: J. Rysti and J. Tuoriniemi. Mechanical Oscillators in Inviscid Compressible Fluids. Journal of Low Temperature Physics 171, 273 (2013).
dc.relation.haspart [Publication 6]: J. Rysti and J. Tuoriniemi. Quartz Tuning Forks and Acoustic Phenomena in Superfluid Helium. arXiv:1304.2795 (2013).
dc.relation.haspart [Publication 7]: Anssi Salmela, Juha Tuoriniemi, Elias Pentti, Alexander Sebedash, and Juho Rysti. Acoustic resonator providing fixed points of temperature between 0.1 and 2 K. Journal of Physics: Conference Series 150, 012040 (2009).
dc.relation.haspart [Publication 8]: A. Salmela, J. Tuoriniemi, and J. Rysti. Acoustic Resonances in Helium Fluids Excited by Quartz Tuning Forks. Journal of Low Temperature Physics 162, 678 (2011).
dc.relation.haspart [Publication 9]: J Tuoriniemi, J Rysti, A Salmela, and M Manninen. Mode analysis for a quartz tuning fork coupled to acoustic resonances of fluid in a cylindrical cavity. Journal of Physics: Conference Series 400, 012077 (2012).
dc.subject.other Physics en
dc.title Microscopic and Macroscopic Studies of Liquid and Solid Helium Mixtures en
dc.title Mikroskooppisia ja makroskooppisia tutkimuksia nestemäisissä ja kiinteissä heliumseoksissa fi
dc.type G5 Artikkeliväitöskirja fi
dc.contributor.school Perustieteiden korkeakoulu fi
dc.contributor.school School of Science en
dc.contributor.department O.V. Lounasmaa -laboratorio fi
dc.contributor.department O.V. Lounasmaa Laboratory en
dc.subject.keyword helium-3 en
dc.subject.keyword helium-4 en
dc.subject.keyword helium mixtures en
dc.subject.keyword superfluid en
dc.subject.keyword melting pressure en
dc.subject.keyword solubility en
dc.subject.keyword osmotic pressure en
dc.subject.keyword quartz tuning fork en
dc.subject.keyword acoustic emission en
dc.subject.keyword second sound en
dc.subject.keyword helium-3 fi
dc.subject.keyword helium-4 fi
dc.subject.keyword heliumseos fi
dc.subject.keyword supraneste fi
dc.subject.keyword sulamispaine fi
dc.subject.keyword liukoisuus fi
dc.subject.keyword osmoottinen paine fi
dc.subject.keyword kvartsivärähtelijä fi
dc.subject.keyword akustinen emissio fi
dc.subject.keyword toinen ääni fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-5245-8
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Hakonen, Pertti, Prof.
dc.opn Parpia, Jeevak, Prof., Cornell University, United States of America
dc.date.dateaccepted 2013-05-31
dc.contributor.lab YKI group en
dc.rev Rasmussen, Finn Berg, Dr., University of Copenhagen, Denmark
dc.rev Saarela, Mikko, Doc., University of Oulu, Finland
dc.date.defence 2013-08-19


Files in this item

This item appears in the following Collection(s)

Show simple item record

Search archive


Advanced Search

article-iconSubmit a publication

Browse