Aluminium microelectromechanical resonator as a probe of superfluid helium
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2017-11-14
Department
Major/Subject
Physics of Advanced Materials
Mcode
SCI3057
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
50 + 6
Series
Abstract
In this work, the response of magnetomotively driven MEMS resonators have been measured at low temperatures in vacuum (16 mK – 4 K) and superfluid 4He (18 mK – 1 K). The goal post shaped devices (dimensions ∼ 10 μm) are made from suspended aluminium beams with rectangular cross section 0.15 μm × 1 μm and their operation frequencies range from 300 kHz to 500 kHz. We believe that the force resolution ∆F ∼ 1 fN of the devices is sufficient for studying dynamics of a single vortex pinned to the device. In vacuum, the dissipation follows a power law and the resonance frequency increases logarithmically with temperature. The behaviour is attributed to tunneling two level systems present in the structure. In superfluid 4He, the dissipation increases further as a consequence of momentum transfer in collisions with ballistic phonons and rotons. At large oscillation amplitudes, the devices show nonlinear Duffing-like behaviour with an amplitude dependent quadratic frequency shift. In superfluid 4He at T = 18 mK we observe a collapse of the oscillations at vc = 0.17 m/s independently of the driving force. We interpret this as a sudden increase of the drag force, when the critical velocity for the emission of vortex rings is exceeded.Tässä työssä mitattiin mikroelektromekaanisten värähtelijöiden vastetta magneetti- ja sähkökenttien synnyttämään herätteeseen kylmissä lämpötiloissa sekä tyhjiössä (16 mK – 4 K) että supraneste heliumissa (4He, 18 mK – 1 K). Kyseisten laitteiden koko on luokkaa 10 μm, ja ne on valmistettu alumiinista jalkapallomaalin muotoon (kaksi jalkaa ja puomi). Maali muodostuu palkeista, joiden poikkipinta on neliskulmainen ja kooltaan 0.15 μm × 1 μm. Värähtelijöiden ominaistaajuudet sijaitsevat välillä 300 kHz – 500 kHz. Uskomme että laitteiden osoittama voimien erottelukyky ∆F ∼ 1 fN on riittävän tarkka yksittäisten kvanttipyörteiden dynamiikan tutkimiseen. Tyhjiössä resonaattoreiden häviöt seuraavat potenssilakia ja ominaistaajuudet kasvavat logaritmisesti lämpötilan noustessa. Kyseinen käyttäytyminen liittyy tunneloituviin kaksitasosysteemeihin laitteiden rakenteissa. Supraneste heliumissa häviöt kasvavat lisää, sillä resonaattorit törmäilevät ballistisesti eteneviin fononeihin ja rotoneihin siirtäen liikemääräänsä niille. Suurilla värähtelyamplitudeilla laitteet käyttäytyvät epälineaarisesti Duffing-resonaattorin kaltaisesti, ja resonanssitaajuus siirtyy neliöllisesti amplitudin kasvaessa. Supraneste heliumissa, 18 mK lämpötilassa, havaitaan värähtelyiden yhtäkkinen pysähtyminen kun saavutetaan nopeus vc = 0.17 m/s riippumatta herätteen voimakkuudesta. Tulkitsemme tämän äkillisenä häviöiden kasvuna, kun kriittinen nopeus pyörrerenkaiden emissiolle ylitetään.Description
Supervisor
Hakonen, PerttiThesis advisor
Eltsov, VladimirKeywords
superfluid, MEMS, duffing oscillator, quantized vortex, two level system, fluid drag