Magnon Bose-Einstein Condensate as a Probe of Topological Superfluid

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2016-06-09
Date
2016
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
132 + app. 110
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 99/2016
Abstract
Helium stays in liquid form down to absolute zero temperature. Since the effects of quantum mechanics become particularly evident at low temperatures, helium is an ideal system for experimental studies of macroscopic quantum phenomena. One of the most remarkable of these is the transition into zero-viscosity superfluid phase. In case of fermionic helium-3 isotope, this transition occurs at temperatures below 0.003 K. In the low-temperature B phase of superfluid helium-3, the transport of both mass and magnetization occur without losses. The spin superfluidity gives rise to spontaneous coherent long-living precession of magnetization observed in nuclear magnetic resonance (NMR) experiments. The coherent precession can be described in terms of spin-wave excitations, or in the language of Bose-Einstein condensation (BEC) of magnon quasiparticles. In this dissertation, we trap these quasiparticle condensates at selected locations in the superfluid order parameter texture, using both textural and magnetic energies for confinement. The sample is cooled to ultra-low temperatures in rotating adiabatic demagnetization refrigerator. Careful characterization of the creation and the decay of the trapped magnon BEC reveals nonhydrodynamic spin diffusion as the main temperature-dependent source of relaxation. Using this property, we suggest magnon-BEC-based microkelvin thermometry in helium-3 systems. Both the relaxation rate and the precession frequency of magnetization are sensitive to changes in the properties of the surrounding superfluid at the lowest temperatures and clearly more informative than conventional NMR techniques which freeze to a temperature-independent state. Here we have used the magnon BECs to detect quantized vortices, gravity waves on the free surface of superfluid, and long-living textural defects related to the creation and the annihilation of phase boundaries. We have also found enhanced zero-temperature relaxation of magnon BEC due to free surface. We propose that it originates from the bound quasiparticle states at the surface which supposedly have Majorana nature following from the topology of helium-3. Owing to diverse properties, superfluid helium-3 serves as an experimentally accessible model system for phenomena elsewhere in physics. We have found self-trapping of magnons towards a box-like confinement potential via coupling with the order parameter which resembles the Q-ball in quantum field theories. We have also observed the interplay between three low-energy spin-wave modes, one of which acquires mass due to spin-orbit interaction and becomes similar to the light Higgs particle considered in extensions of Standard Model.

Helium pysyy nestemäisenä aina absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Koska kvantti-mekaniikan vaikutus tulee erityisesti esille matalissa lämpötiloissa, on helium ideaalinen aine tutkittaessa kokeellisesti makroskooppisia kvanttimekaanisia ilmiöitä. Kyseisistä ilmiöistä yksi merkittävimmistä on nesteen muutos viskoosittomaksi supranesteeksi. Fermionisen helium-3-isotoopin tapauksessa supranestetransitio tapahtuu alle 0.003 K:n lämpötilassa. Helium-3-supranesteen matalien lämpötilojen B-faasissa sekä massa että magnetisaatio virtaavat häviöttömästi. Tällaiseen spin-supranesteeseen syntyy spontaaneja koherentisti prekessoivia magnetisaatiotiloja ydinmagneettisissa resonanssimittauksissa (NMR). Koherentti prekessio voidaan kuvata joko spin-aaltoeksitaatioiden avulla tai magnon-kvasipartik-kelien Bosen-Einsteinin kondensaationa (BEC). Tässä väitöskirjatyössä synnytämme näitä kvasipartikkelikondensaatteja valitsemaamme paikkaan supranesteen järjestysparametri-tekstuurissa tekstuurin ja magneettikentän energioiden yhteisvaikutuksella. Näyte jäähdytetään ultramataliin lämpötiloihin adiabaattista ydindemagnetointia hyödyntäen. Potentiaalikuoppaan lukitun magnon-kondensaatin synty- ja häviömekanismien tarkka selvittäminen paljastaa epähydrodynaamisen spin-diffuusion pääasialliseksi lämpötilasta riippuvaksi relaksaatiolähteeksi. Tähän pohjaten esitämme magnoneihin perustuvaa mikro-kelvinalueella toimivaa lämpötilan mittausta helium-3-näytteissä. Sekä magnetisaation relaksaatioaika että prekessiotaajuus ovat herkkiä ympäröivän supranesteen ominaisuuksien muutoksille matalimmissakin lämpötiloissa, joissa tavanomaiset NMR-tekniikat menettävät herkkyytensä. Olemmekin käyttäneet magnon-kondensaatteja kvantittuneiden virtauspyörteiden, pinta-aaltojen ja pitkäikäisten tekstuuripoikkeamien havaitsemiseen. Olemme myös mitanneet vapaan supranestepinnan kiihdyttävän magnon-kondensaatin relaksaatiota nollalämpötilarajalla. Syyksi tähän esitämme vapaalle pinnalle sidottuja kvasipartikkelitiloja, jotka oletettavasti ovat Majorana-tiloja helium-3:n topologian perusteella. Monipuolisten ominaisuuksiensa vuoksi helium-3-supraneste toimii kokeellisena malli-systeeminä monille muille fysiikan ilmiöille. Olemme havainneet magnonien ja järjestys-parametrin keskinäisen vuorovaikutuksen, joka johtaa magnonien itselokalisaatioon ja täten muistuttaa kvanttikenttäteorioissa esiintyvää Q-palloa. Olemme myös mitanneet keskinäisen vuorovaikutuksen kolmen matalaenergisen spin-aalto-moodin välillä. Näistä yhdellä on massa spin-orbitaali-vuorovaikutuksen ansiosta, mikä tekee siitä samankaltaisen hiukkasfysiikan standardimallin laajennuksissa esiintyvän kevyen Higgsin hiukkasen kanssa.
Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Eltsov, Vladimir, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
helium-3, superfluid, magnon quasiparticle excitation, Bose-Einstein condensation, spin diffusion, free surface, surface wave, quantized vortex, Majorana bound state, spin-orbit interaction, ultra-low temperature thermometry, supraneste, magnon, Bosen-Einsteinin kondensaatti, spin-diffuusio, vapaa pinta, pinta-aalto, kvantittunut virtauspyörre, sidottu Majorana-tila, spin-orbitaali-vuorovaikutus, lämpötilan mittaus ultramatalissa lämpötiloissa
Other note
Parts
  • [Publication 1]: V. V. Zavjalov, S. Autti, V. B. Eltsov, and P. J. Heikkinen, Measurements of the Anisotropic Mass of Magnons Confined in a Harmonic Trap in Superfluid 3He-B, JETP Letters 101, 802–807 (2015).
    DOI: 10.1134/S0021364015120152 View at publisher
  • [Publication 2]: S. Autti, Yu. M. Bunkov, V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen, J. J. Hosio, P. Hunger, M. Krusius, and G. E. Volovik, Self-Trapping of Magnon Bose-Einstein Condensates in the Ground State and on Excited Levels: From Harmonic to Box Confinement, Physical Review Letters 108, 145303(1–5) (2012).
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.108.145303 View at publisher
  • [Publication 3]: P. J. Heikkinen, S. Autti, V. B. Eltsov, J. J. Hosio, M. Krusius, and V. V. Zavjalov, Relaxation of Bose-Einstein Condensates of Magnons in Magneto-Textural Traps in Superfluid 3He-B, Journal of Low Temperature Physics 175, 3–16 (2014).
    DOI: 10.1007/s10909-013-0946-y View at publisher
  • [Publication 4]: P. J. Heikkinen, S. Autti, V. B. Eltsov, R. P. Haley, and V. V. Zavjalov, Microkelvin Thermometry with Bose-Einstein Condensates of Magnons and Applications to Studies of the AB Interface in Superfluid 3He, Journal of Low Temperature Physics 175, 681–705 (2014).
    DOI: 10.1007/s10909-014-1173-x View at publisher
  • [Publication 5]: V. V. Zavjalov, S. Autti, V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen, and G. E. Volovik, Light Higgs channel of the resonant decay of magnon condensate n superfluid 3He-B, Nature Communications 7, 10294(1–6) (2016).
    DOI: 10.1038/ncomms10294 View at publisher
  • [Publication 6]: J. J. Hosio, V. B. Eltsov, P. J. Heikkinen, R. Hänninen, M. Krusius, and V. S. L’vov, Energy and angular momentum balance in wallbounded quantum turbulence at very low temperatures, Nature Communications 4, 1614(1–5) (2013).
    DOI: 10.1038/ncomms2618 View at publisher
  • [Publication 7]: P. J. Heikkinen, S. Autti, V. V. Zavjalov, M. Silaev, and V. B. Eltsov, Magnetic relaxation at the free surface of superfluid 3He-B. Unpublished preprint, 14 pages. VIII P. J. Heikkinen, S. Autti, V. V. Zavjalov, and V. B. Eltsov, Gravity waves on the surface of topological superfluid 3He-B. Unpublished preprint, 7 pages.
Citation