Oscillations on helium surfaces

Abstract

Helium is light, chemically inert monatomic noble gas with either four (4He) or three (3He) nucleons. Both isotopes can be liquefied by lowering the temperature down to few kelvins. Further cooling does not solidify the liquid. Instead, quantum mechanics begins to play a significant role. Particles are divided into two classes, bosons and fermions, whose properties differ in fundamental ways. Helium represents both of these classes as the number of elementary particles is even in bosonic 4He and odd in fermionic 3He. When normal liquid is cooled down, it becomes more viscous, and the movement of an immersed object becomes increasingly damped. However, in bosonic 4He the damping begins to diminish at around 2 K. This transition from normal liquid into superfluid phase origins from quantum mechanics. As fermionic 3He obeys different statistics, also the superfluid transition temperature differs by several orders of magnitude: 3He becomes superfluid at temperatures around 1 mK. In the low temperature limit the damping is caused by rarefied gas of thermally excited quasiparticles. In this thesis standing waves on the free surface of superfluid 4He and 3He were studied experimentally. The measured damping of the waves reflects the boson or fermion character of the medium. Measurements were in reasonable agreement with theoretical prediction of damping due to thermal quasiparticles. Also the resonance frequencies were consistent with the previously measured value of the surface tension. The same experimental setup was also used to study saturated solution of 3He-4He mixture. The molar volume was measured at pressures up to the melting pressure. The melting pressure depends on only one variable, and therefore it can be used for thermometry. When temperature is 294 mK two liquid and two solid phases coexist. This quadruple point can serve as a fixed temperature point.

Helium on kevyt, kemiallisesti reagoimaton, yksiatominen jalokaasu, joka koostuu neljästä (4He) tai kolmesta (3He) nukleonista. Molemmat isotoopit voidaan nesteyttää laskemalla lämpötila muutamaan kelviniin. Helium ei kuitenkaan muutu kiinteäksi lämpötilaa laskemalla. Sen sijaan kvanttimekaniikan merkitys korostuu. Hiukkaset jaetaan kahteen ryhmään, bosoneihin ja fermioneihin, joiden perimmäiset ominaisuudet eroavat toisistaan. Heliumilla on edustaja kummassakin ryhmässä, koska bosoninen 4He koostuu parillisesta ja fermioninen 3He parittomasta määrästä alkeishiukkasia. Yleensä nesteen viskositeetti kasvaa jäähdytettäessä. Toisin sanoen nesteessä olevan kappaleen liikkumista vastustava voima kasvaa. Bosonisessa 4He-nesteessä liikettä vastustava voima alkaa kuitenkin heikentyä lämpötilan ollessa 2 K. Tämä muutos normaalinesteestä supranesteeksi on kvanttimekaaninen ominaisuus. Fermioninen 3He noudattaa eri lainalaisuuksia, jolloin transitiolämpötilakin poikkeaa usealla kertaluvulla: 3He muuttuu supranesteeksi noin 1 mK lämpötilassa. Matalimmissa lämpötiloissa liikettä vastustava voima johtuu lämpötilan virittämistä kvasihiukkasista koostuvasta harvasta kaasusta. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kokeellisesti seisovia aaltoja 4He- ja 3He-supranesteiden pinnoilla. Mitattu liikkeen vaimeneminen kuvastaa väliaineen bosonista tai fermionista luonnetta. Mittaukset vastasivat melko hyvin teoriaa, jossa vaimenemisen oletettiin johtuvan lämpötilan virittämistä kvasihiukkasista. Myös resonanssitaajuuksia vastaava pintajännityksen arvo oli sopusoinnussa aiempien mittausten kanssa. Samaa koelaitteistoa käytettiin myös kylläisen 3He-4He-liuoksen tutkimisessa. Moolitilavuus mitattiin eri paineissa aina sulamispaineeseen saakka. Sulamispaine riippuu vain yhdestä muuttujasta, joten sitä voidaan käyttää lämpötilan mittaamiseen. Lämpötilan ollessa 294 mK seoksessa on samanaikaisesti kaksi neste- ja kaasufaasia. Tätä nelipistettä voidaan käyttää lämpötilan kiintopisteenä.