Experimental studies on dilute helium mixtures at low temperatures

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Tuoriniemi, Juha, Docent
dc.contributor.author Salmela, Anssi
dc.date.accessioned 2012-08-08T13:05:52Z
dc.date.available 2012-08-08T13:05:52Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-952-60-4583-2 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4582-5 (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/123456789/4435
dc.description.abstract When cooled to almost zero temperature, helium offers a very versatile subject for the experimental study of quantum matter. The two stable isotopes of helium, He-3, and He-4, and their mixtures, are the only macroscopic condensed matter systems that do not solidify at normal pressure even upon cooling to the absolute zero temperature. The cause for this is the large zero point energy compared to the interatomic bonds of the light noble gas. At extremely low temperatures the properties of the chemically identical isotopes differ considerably due to differences in quantum statistics. An especially interesting system is the dilute phase of the mixture of the isotopes, in which He-3 atoms form a rarefied fermi gas, whose properties can be continuously adjusted by varying the pressure and concentration, while the bosonic He-4 component remains in the background in the superfluid state. Also the He-3 component of the dilute mixture has been theoretically predicted to undergo a superfluid transition at very low temperature. This thesis presents new methods for the experimental study of helium mixtures at very low temperatures, as well as results on measurements on the properties of helium fluids at previously unstudied temperature and pressure range. Adiabatic melting is a cooling method in which the cooling, based on the mixing of helium isotopes, is utilized in conditions where the heat capacity of the refrigerated system is falling fast, permitting a very low final temperature. In the first millikelvin-range trial of the new method, the mixture was cooled to 300 microkelvin temperature. This is not a particularly outstanding result compared to the traditional cooling methods, but the experiment was still encouraging as the limitations were found to be technical and no fundamental obstacles for improvements were discovered. The properties of the helium sample were studied by a sensitive pressure gauge, and by small immersed mechanical oscillators. Using these, the saturation solubility of the mixture was determined over the widest possible pressure range from zero to the melting pressure of the mixture. In addition the osmotic pressure of the mixture for several concentrations at the melting pressure was measured at millikelvin-range temperatures. Traditional vibrating wires and quartz tuning forks were used as the oscillators. Quartz tuning forks were found to be feasible sensors, though acoustic phenomena related to the high resonance frequency complicated the response. en
dc.description.abstract Lähes absoluuttiseen nollapisteeseen jäähdytetty helium on erittäin monipuolinen kohde kvanttiaineen kokeelliselle tutkimukselle. Heliumin kaksi pysyvää isotooppia, He-3 ja He-4, sekä näiden seokset, ovat ainoat makroskooppiset tiiviin aineen järjestelmät, jotka eivät kiinteydy normaalipaineessa edes nollalämpötilaan jäähdytettäessä. Syy tähän on kevyen jalokaasun suuri nollapiste-energia verrattuna atomien välisiin heikkoihin vuorovaikutuksiin. Erittäin matalissa lämpötiloissa kemiallisesti samanlaisten isotooppien ominaisuudet poikkeavat hyvin paljon toisistaan, kvanttistatistiikan johdosta. Erityisen mielenkiintoinen järjestelmä on isotooppien laimea seos, jossa He-3 atomit muodostavat harvan fermikaasun, jonka ominaisuuksia on mahdollista muuttaa jatkuvasti painetta ja pitoisuutta säätämällä, bosonisen He-4:n ollessa taustalla perustilassaan. Teoreettisesti myös laimean seoksen He-3-osan on ennustettu muuttuvan supranesteeksi hyvin matalassa lämpötilassa. Väitöskirjassa esitellään uusia menetelmiä heliumseosten kokeelliseen tutkimukseen matalissa ja erittäin matalissa lämpötiloissa, sekä mittaustuloksia seosten ominaisuuksista aiemmin tutkimattomalla lämpötila- ja painealueella. Adiabaattinen sulatus on jäähdytysmenetelmä, jossa heliumisotooppien sekoittumisesta aiheutuvaa jäähtymistä pyritään hyödyntämään olosuhteissa, joissa jäähdytettävän systeemin ominaislämpökapasiteetin nopeasta laskusta johtuen hyvin matalan loppulämpötilan saavuttaminen on mahdollista. Uuden jäähdytysmenetelmän ensimmäisessä millikelvinalueella tehdyssä kokeessa seos onnistuttiin jäähdyttämään noin 300 mikrokelvinin lämpötilaan. Saavutettu lämpötila ei ole erityisen hyvä verrattuna perinteisemmillä menetelmillä tehtyihin kokeisiin, mutta koe oli silti rohkaiseva, koska menetelmän rajoitukset osoittautuivat luonteeltaan teknisiksi eikä periaatteellisia esteitä tuloksen parantamiselle ole. Heliumnäytettä tutkittiin erittäin tarkan painemittarin sekä pienten, nesteeseen upotettujen mekaanisten värähtelijöiden avulla. Näitä käyttäen kylläisen heliumseoksen pitoisuus mitattiin laajalla painealueella nollapaineesta seoksen sulamispaineeseen asti. Lisäksi osmoottinen paine sulamispaineessa mitattiin useille eri pitoisuuksille millikelvinalueella. Värähtelijöinä käytettiin sekä perinteisempiä värähteleviä lankoja että kvartsihaarukoita. Kvartsihaarukat osoittautuivat käyttökelpoisiksi antureiksi, joskin korkeaan resonanssitaajuuteen liittyvät akustiset ilmiöt monimutkaistavat vastetta. fi
dc.format.extent 174
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 43/2012
dc.relation.haspart [Publication 1]: Anssi Salmela, Alexander Sebedash, Juho Rysti, Elias Pentti, and Juha Tuoriniemi. 2011. Osmotic pressure of 3He/4He mixtures at the crystallization pressure and at millikelvin temperatures. Physical Review B, volume 83, number 13, 134510, 8 pages.
dc.relation.haspart [Publication 2]: A. P. Sebedash, J. T. Tuoriniemi, E. M. M. Pentti, and A. J. Salmela. 2008. Osmotic pressure of 3He-4He solutions at 25.3 bar and low temperatures. Journal of Low Temperature Physics, volume 150, numbers 3-4, pages 181-186.
dc.relation.haspart [Publication 3]: Elias M. Pentti, Juha T. Tuoriniemi, Anssi J. Salmela, and Alexander P. Sebedash. 2008. Solubility of 3He in 4He at millikelvin temperatures up to the melting pressure measured by a quartz tuning fork. Physical Review B, volume 78, number 6, 064509, 13 pages.
dc.relation.haspart [Publication 4]: A. P. Sebedash, J. T. Tuoriniemi, S. T. Boldarev, E. M. M. Pentti, and A. J. Salmela. 2007. Adiabatic melting of 4He crystal in superfluid 3He at sub-millikelvin temperatures. Journal of Low Temperature Physics, volume 148, numbers 5-6, pages 725-729.
dc.relation.haspart [Publication 5]: A. Salmela, J. Tuoriniemi, and J. Rysti. 2011. Acoustic resonances in helium fluids excited by quartz tuning forks. Journal of Low Temperature Physics, volume 162, numbers 5-6, pages 678-685.
dc.relation.haspart [Publication 6]: Anssi Salmela, Juha Tuoriniemi, Elias Pentti, Alexander Sebedash, and Juho Rysti. 2009. Acoustic resonator providing fixed points of temperature between 0.1 and 2 K. In: Peter Kes and Reijer Jochemsen (editors). Proceedings of the 25th International Conference on Low Temperature Physics (LT25). Amsterdam, The Netherlands. 6-13 August 2008. Institute of Physics Publishing. Journal of Physics: Conference Series, volume 150, part 1, 012040, 4 pages. ISSN 1742-6588.
dc.relation.haspart [Publication 7]: E. M. Pentti, J. T. Tuoriniemi, A. J. Salmela, and A. P. Sebedash. 2008. Quartz tuning fork in helium. Journal of Low Temperature Physics, volume 150, numbers 3-4, pages 555-560.
dc.relation.haspart [Publication 8]: Elias Pentti, Juho Rysti, Anssi Salmela, Alexander Sebedash, and Juha Tuoriniemi. 2011. Studies on helium liquids by vibrating wires and quartz tuning forks. Journal of Low Temperature Physics, volume 165, numbers 3-4, pages 132-165.
dc.relation.haspart [Publication 9]: Alexander Sebedash, Juha Tuoriniemi, Elias Pentti, and Anssi Salmela. 2009. Improved capacitive melting curve measurements. In: Peter Kes and Reijer Jochemsen (editors). Proceedings of the 25th International Conference on Low Temperature Physics (LT25). Amsterdam, The Netherlands. 6-13 August 2008. Institute of Physics Publishing. Journal of Physics: Conference Series, volume 150, part 1, 012043, 4 pages. ISSN 1742-6588.
dc.relation.haspart [Publication 10]: E. Pentti, J. Tuoriniemi, A. Salmela, and A. Sebedash. 2007. Melting pressure thermometry of the saturated helium mixture at millikelvin temperatures. Journal of Low Temperature Physics, volume 146, numbers 1-2, pages 71-83.
dc.relation.haspart [Publication 11]: A. Sebedash, J. T. Tuoriniemi, S. Boldarev, E. M. Pentti, and A. J. Salmela. 2006. Melting pressure thermometry for dilute 3He-4He mixtures. In: Yasu Takano, Selman P. Hershfield, Stephen O. Hill, Peter J. Hirschfeld, and Allen M. Goldman (editors). Low Temperature Physics. Proceedings of the 24th International Conference on Low Temperature Physics (LT24). Orlando, Florida, USA. 10-17 August 2005. Melville, NY, USA. American Institute of Physics. AIP Conference Proceedings, volume 850, pages 1591-1592. ISBN 0-7354-0347-3. ISSN 0094-243X.
dc.subject.other Physics en
dc.title Experimental studies on dilute helium mixtures at low temperatures en
dc.title Kokeellisia tutkimuksia laimeiden heliumseosten ominaisuuksista matalissa lämpötiloissa 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 dilution refrigeration 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 laimennusjäähdytys fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4583-2
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kaivola, Matti, Professor
dc.opn Skrbek, Ladislav, Professor, Charles University, Czech Republic
dc.rev Vasiliev, Sergey, Docent, University of Turku, Finland
dc.rev Nyeki, Jan, Doctor, Royal Holloway, University of London, United Kingdom
dc.date.defence 2012-04-27


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

My Account