Nanoelectromechanical resonators and nanoconfinement in quantum fluids

Abstract

Modern nanofabrication techniques have led to tremendous advances in many fields of physics. In particular, new superfluid phases of helium-3 have recently been discovered in engineered geometries that sculpture the order parameter of the topological superfluid on the nanometer scale. Detailed studies are required to reveal the physical properties of the new superfluid phases, and to identify the mechanisms that stabilize them. Recently, nanomechanical sensors for superfluid helium-4 have also emerged. They are promising tools for studying, for instance, the fast dynamics of quantized vortices. Incorporating nanoelectromechanical resonators to a superfluid environment pose several challenges involving acoustic dissipation, interaction with nearby surfaces, nonlinearity, and understanding of the device-fluid interactions in mesoscopic objects. In this thesis, low-frequency nanoelectromechanical resonators for studying the superfluids helium-4 and helium-3 are developed. To minimize the effect of walls, freestanding aluminum devices are fabricated on an opening in the substrate. The devices are characterized in vacuum, in helium-4 gas, and in superfluid helium-4. Good understanding of the device-intrinsic properties such as tunneling two-level systems is achieved, and device-fluid interactions are found to be in good agreement with the theories derived for macroscopic objects. Additionally, we use nuclear magnetic resonance spectroscopy to study the polar phase of superfluid helium-3, stabilized between oriented strands of nanometer-scale diameter and spacing. We show that the stability of the polar phase against scattering from non-magnetic impurities is protected by an extension of the Anderson theorem, albeit the system is an unconventional p-wave state with anisotropic gap. We verify experimentally that the superfluid gap in the polar phase has a cubic temperature dependence, which is a direct consequence of the Dirac nodal line in the spectrum of the Bogoliubov quasiparticles. The confining strands pin vortices strongly, allowing us to measure the density of vortices created in the transition to the superfluid state. We show that an applied bias field suppresses the number of vortices created by the Kibble-Zurek mechanism, providing a shortcut to adiabaticity in this system. The uncovered intrinsic properties of the nanoelectromechanical sensors aid in the design of new devices, and the good understanding of the device-fluid interactions demonstrated in the thesis pave way for future experiments, for instance on vortex dynamics. In helium-3, studies on vortex dynamics enable probing the properties of the fermionic vortex-core-bound states, including the elusive Majorana zero mode. In future, nanoengineered sensors and nanoengineered confinement of helium-3 could be combined, allowing for example experiments on dynamics of the synthetic electromagnetic and gravitational fields.

Nykyaikaiset nanovalmistusmenetelmät ovat vieneet monia fysiikan aloja eteenpäin. Eritoten, uusia helium-3 supranesteen olomuotoja on hiljattain löydetty geometrioista, jotka muovaavat kyseisen topologisen supranesteen järjestysparametria nanometrien mittaluokassa. Näiden uusien olomuotojen ominaisuuksien kartoittaminen vaatii tarkkoja mittauksia. Hiljattain, myös nanovalmistetut anturit ovat rantautuneet helium-4 supranesteen tutkimukseen. Ne ovat lupaavia työkaluja, joilla voidaan tutkia esimerkiksi kvantittuneiden virtauspyörteiden nopeaa dynamiikkaa. Nanoelektromekaanisten värähtelijöiden käyttö supranesteissä on haastavaa useista syistä, mukaan lukien akustiset energiahäviöt, vuorovaikutus läheisten pintojen kanssa, epälineaarisuus, sekä laitteen ja nesteen välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen näissä laitteissa. Tässä väitöskirjassa kehitetään matalataajuuksisia nanoelektromekaanisia värähtelijöitä helium-4 ja helium-3 supranesteiden tutkimukseen. Alumiiniset laitteet valmistetaan substraatissa olevan aukon päälle pintojen vaikutuksen vähentämiseksi. Laitteiden ominaisuudet kartoitetaan tyhjiössä, helium-4 kaasussa sekä helium-4 supranesteessä. Työssä saavutetaan hyvä ymmärrys laitteiden sisäisistä ominaisuuksista, kuten tunneloituvista kaksitasosysteemeistä. Kokeellisesti todetut laitteen ja nesteen väliset vuorovaikutukset ovat sopusoinnussa makroskooppisen kokoisille laitteille johdettujen teorioiden kanssa. Tutkimme myös helium-3 supranesteen polaarifaasia ydinmagneettisen resonanssispektroskopian avulla. Polaarifaasi saavutetaan täyttämällä lähes samansuuntaisista säikeistä koostuva nanomateriaali helium-3 supranesteellä. Näytämme, että polaarifaasi on vakaa epämagneettista epäpuhtaussirontaa vastaan Andersonin teoreeman laajennuksen ansiosta, vaikka kyseessä on epätavanomainen p-aalto -tila, jolla on suuntariippuva energia-aukko. Varmistamme kokeellisesti polaarifaasin energia-aukon lämpötilariippuvuuden, joka on suora seuraus Diracin noodiviivasta. Säikeet sitovat kvantittuneita virtauspyörteitä voimakkaasti, joka mahdollistaa faasitransitiossa syntyneiden virtauspyörteiden määrän mittaamisen. Osoitamme, että Kibble-Zurek menetelmällä syntyneiden virtauspyörteiden määrää voidaan vähentää magneettikentän avulla, tarjoten oikotien adiabaattisuuteen tässä systeemissä. Löydetyt nanomekaanisten värähtelijöiden ominaisuudet auttavat uusien laitteiden suunnittelussa. Laitteiden ja nesteiden välisten vuorovaikutusten ymmärrys uurtaa uraa tuleville mittauksille, esimerkiksi pyörteiden dynamiikkaan liittyen. Helium-3 supranesteessä pyörteiden dynamiikan tutkimus mahdollistaa pyörteiden ytimeen sidottujen tilojen kuten Majorana fermionien tutkimisen. Tulevaisuudessa nanomekaaniset värähtelijät ja rajoitetut nanogeometriat voidaan yhdistää, joka mahdollistaisi esimerkiksi synteettisten gravitaatio- ja elektromagnaattisten kenttien tutkimisen.