Approaching the zero-temperature limit in superfluid dynamics and dissipation

 |  Login

Show simple item record

dc.contributor Aalto-yliopisto fi
dc.contributor Aalto University en
dc.contributor.advisor Eltsov, Vladimir, Dr.
dc.contributor.author Hosio, Jaakko
dc.date.accessioned 2012-11-16T09:30:05Z
dc.date.available 2012-11-16T09:30:05Z
dc.date.issued 2012
dc.identifier.isbn 978-952-60-4850-5 (electronic)
dc.identifier.isbn 978-952-60-4849-9 (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/123456789/6081
dc.description.abstract Most collective physical systems freeze and become immobile at zero temperature. Thus, there exist few systems where hydrodynamics can be experimentally studied in the zero-temperature limit. Most notable among these are the helium superfluids which remain in liquid state down to zero temperature and may support dissipationless superflow at sufficiently low flow velocities. The measurements of this thesis present the first information on the interplay of laminar and turbulent flow at higher velocities in the zero-temperature regime and the associated dissipation in these flow states. In contrast to earlier beliefs, the results show that there exist residual dissipation mechanisms in both cases which cause damping even in the zero-temperature limit. A remarkable feature of superfluids is the quantization of flow through the creation of quantized vortex lines. These are formed at higher flow velocities, usually at some critical velocity. At higher temperatures the motion of vortices is damped by their interaction with the normal excitations, but this source of dissipation vanishes rapidly towards zero temperature. Thus, the motion of vortices should become dissipationless in the zero-temperature regime. However, as in viscous fluids, the smaller the dissipation the easier the flow is perturbed and becomes turbulent. Accordingly, vortex flow was expected to be turbulent in most experimentally achievable situations in the zero-temperature limit. In this thesis superfluid dynamics is explored in a rotating ultra-low-temperature refrigerator with nuclear magnetic resonance and with measurements of Andreev scattering of ballistic quasiparticle excitations from quantized vortex lines in a cylindrical sample of superfluid helium-3. In an axially symmetric smooth-walled container, vortex flow turned out to be laminar, but perturbations, such as breaking the axial symmetry with obstacles or by changing the surface friction, was found to lead to turbulence. To stabilize laminar flow, the minimization of surface interactions is found to be of major importance. In spite of the sub-millikelvin temperatures, which are needed for the present studies, the advantage of superfluid helium-3 over the experimentally more accessible helium-4 superfluid is the more than two orders of magnitude larger vortex core diameter which reduces decisively disturbances in the flow of the vortex ends along solid walls. en
dc.description.abstract Lähestulkoon kaikki fysikaaliset systeemit muuttuvat kiinteiksi lämpötilan laskiessa absoluuttiseen nollapisteeseen, ja niinpä hydrodynaamisia ilmiöitä nollalämpötilarajalla voidaan tutkia vain harvoissa erikoistapauksissa. Näistä merkittävimpiä ovat heliumsupranesteet, jotka säilyvät nestemäisenä aina nollalämpötilaan saakka ja jotka matalilla nopeuksilla kykenevät virtaamaan ilman virtausvastusta. Tässä työssä tutkitaan ensimmäistä kertaa laminaarisen ja turbulentin virtauksen vuorovaikutusta ja niihin liittyviä häviöitä lämpötilan nollarajalla. Toisin kuin aiemmin luultiin, molemmat virtausmuodot osoittautuivat häviöllisiksi aina nollalämpötilaan saakka. Supranesteissä pyörivä virtaus esiintyy kvantittuneina virtauspyörteinä, joita kutsutaan vortekseiksi ja joita syntyy virtausnopeuden saavuttaessa tietyn kriittisen rajan. Kohtalaisen korkeissa supranestelämpötiloissa vorteksien liike määräytyy pitkälti vorteksiytimien vuorovaikutuksesta normaalineste-eksitaatioiden kanssa, mutta tämä vuorovaikutus heikkenee voimakkaasti lämpötilan laskiessa. Näin ollen vorteksien liikkeen tulisi muuttua häviöttömäksi nollalämpötilarajalla. Kuten viskooseissa nesteissä, virtaus kuitenkin muuttuu helposti turbulentiksi häviömekanismien heiketessä, ja niinpä turbulenssin odotettiin olevan merkittävässä osassa suurimmassa osassa kokeellisesti saavutettavissa olevissa tapauksissa nollalämpötilarajalla. Tässä työssä supranestedynamiikkaa tutkitaan pyörivässä jäähdyttimessä ydinmagneettisen resonanssin ja termisten eksitaatioiden ns. Andreev-sironnan avulla helium-3-supranesteessä. Sileäseinäisen sylinterisymmetrisen näyteastian tapauksessa virtaus osoittautui käytännössä täysin laminaariseksi. Rikkomalla astian symmetriaa ja muuttamalla reunojen ominaisuuksia virtaus saatiin kuitenkin muuttumaan turbulentiksi. Helium-3-nesteen vorteksien ytimien suuri koko verrattuna helpommin tutkittavissa olevan helium-4-supranesteen vortekseihin havaittiin ratkaisevasti vähentävän virtaushäiriöitä kiinteään seinämään kiinnittyvissä vorteksien päissä. Tämän vuoksi helium-3-supraneste osoittautui erityisen hyödylliseksi nollalämpötiladynamiikan tutkimusalustaksi, vaikka sen tutkimiseen supranestenäyte joudutaankin jäähdyttämään alle millikelvinin lämpötilaan. fi
dc.format.extent 216
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 145/2012
dc.relation.haspart [Publication 1]: R. Blaauwgeers, M. Blazkova, M. Človečko, V. B. Eltsov, R. de Graaf, J. Hosio, M. Krusius, D. Schmoranzer, W. Schoepe, L. Skrbek, P. Skyba, R. E. Solntsev, and D. E. Zmeev. 2007. Quartz tuning fork: Thermometer, pressure- and viscometer for helium liquids. Journal of Low Temperature Physics, volume 146, numbers 5-6, pages 537-562.
dc.relation.haspart [Publication 2]: M. Blažková, M. Človečko, V. B. Eltsov, E. Gažo, R. de Graaf, J. J. Hosio, M. Krusius, D. Schmoranzer, W. Schoepe, L. Skrbek, P. Skyba, R. E. Solntsev, and W. F. Vinen. 2008. Vibrating quartz fork - A tool for cryogenic helium research. Journal of Low Temperature Physics, volume 150, numbers 3-4, pages 525-535.
dc.relation.haspart [Publication 3]: V. B. Eltsov, R. de Graaf, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, R. Hänninen, M. Krusius, and V. S. L'vov. 2010. Stability and dissipation of laminar vortex flow in superfluid 3He-B. Physical Review Letters, volume 105, number 12, 125301, 4 pages.
dc.relation.haspart [Publication 4]: V. B. Eltsov, R. de Graaf, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, R. Hänninen, and M. Krusius. 2010. Vortex formation and annihilation in rotating superfluid 3He-B at low temperatures. Journal of Low Temperature Physics, volume 161, numbers 5-6, pages 474-508.
dc.relation.haspart [Publication 5]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, R. de Graaf, P. J. Heikkinen, R. Hänninen, M. Krusius, V. S. L'vov, and G. E. Volovik. 2011. Superfluid vortex front at T → 0: Decoupling from the reference frame. Physical Review Letters, volume 107, number 13, 135302, 4 pages.
dc.relation.haspart [Publication 6]: P. M. Walmsley, V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, R. Hänninen, and M. Krusius. 2011. Turbulent vortex flow responses at the AB interface in rotating superfluid 3He-B. Physical Review B, volume 84, number 18, 184532, 7 pages.
dc.relation.haspart [Publication 7]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, R. de Graaf, M. Krusius, J. Mäkinen, and D. Schmoranzer. 2011. Propagation of thermal excitations in a cluster of vortices in superfluid 3He-B. Physical Review B, volume 84, number 22, 224501, 6 pages.
dc.relation.haspart [Publication 8]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, M. Krusius, and J. T. Mäkinen. 2012. Quasiparticle-scattering measurements of laminar and turbulent vortex flow in the spin-down of superfluid 3He-B. Physical Review B, volume 85, number 22, 224526, 7 pages.
dc.relation.haspart [Publication 9]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen, M. Krusius, and V. S. L'vov. 2012. Energy and angular-momentum balance in wall-bounded superfluid turbulence. arXiv:1208.2647v1 [cond-mat.other]. 5 pages.
dc.relation.haspart [Publication 10]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, and M. Krusius. Thermal detection of turbulent and laminar dissipation in vortex front motion. Journal of Low Temperature Physics, accepted for publication. DOI: 10.1007/s10909-012-0709-1.
dc.subject.other Physics en
dc.title Approaching the zero-temperature limit in superfluid dynamics and dissipation en
dc.title Dynamiikka ja häviöt supranesteessä lähestyttäessä nollalämpötilarajaa 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 hydrodynamics en
dc.subject.keyword helium-3 en
dc.subject.keyword superfluid en
dc.subject.keyword quantized vortices en
dc.subject.keyword turbulent and laminar flow en
dc.subject.keyword dissipation en
dc.subject.keyword hydrodynamiikka fi
dc.subject.keyword helium-3 fi
dc.subject.keyword supraneste fi
dc.subject.keyword turbulenssi fi
dc.subject.keyword kvantittunut virtauspyörre fi
dc.identifier.urn URN:ISBN:978-952-60-4850-5
dc.type.dcmitype text en
dc.type.ontasot Doctoral dissertation (article-based) en
dc.type.ontasot Väitöskirja (artikkeli) fi
dc.contributor.supervisor Kaivola, Matti, Prof.
dc.opn Golov, Andrei, Prof., The University of Manchester, United Kingdom
dc.rev Sonin, Edouard, Prof., The Hebrew University of Jerusalem, Israel
dc.rev Tsepelin, Viktor, Dr., The University of Lancaster, United Kingdom
dc.date.defence 2012-11-16


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