Vortex measurement in superfluid helium 3 using multimode nanoelectromechanical resonators
No Thumbnail Available
Files
Aalto login required (access for Aalto Staff only).
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor's thesis
Electronic archive copy is available locally at the Harald Herlin Learning Centre. The staff of Aalto University has access to the electronic bachelor's theses by logging into Aaltodoc with their personal Aalto user ID. Read more about the availability of the bachelor's theses.
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.
Author
Date
2024-04-05
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
26
Series
Abstract
Rotation in superfluids creates quantized vortices that have been studied by physicists for decades in both helium 4 and helium 3. However multiple open questions remain about their behaviour. A known property of quantized vortices is that the quantum-mechanical flow around a vortex creates a tiny tension force that can be measured. Oscillating probes are used as a method for studying the properties of vortices and other properties of superfluids, and modern nanofabrication techniques allow for the manufacturing of high-sensitivity nanoelectromechanical systems (NEMS) to be used in accurate force sensing applications. NEMS devices, like any mechanical resonators, have multiple resonance modes. Doing measurements on multiple resonance frequencies simultaneously allows for more information to be gathered about the movement of the device and thus the properties of objects that get connected to it or the fluid that it is in. In this thesis, the aim is to show that using a multimode measurement method is possible and that it can provide more information about vortices in superfluid helium 3 than previous single-mode measurements. The first experiment in this thesis studies the intermodal coupling of two modes of a goalpost-shaped NEMS device. A measurable frequency shift is found in the first mode when the excitation of the second mode is varied. The second experiment shows that vortex connection and disconnection events on the device can be observed in two modes simultaneously. We are able to detect two different vortex events that produce a similar signal in the first mode, but in the second mode, one of the events does not show a measurable change in resonance. This observation shows that there are different ways a vortex can connect to the device.Pyörimisliike supranesteessä luo kvanttiutuneita pyörteitä, joita on tutkittu vuosikymmenien ajan sekä helium 4:ssä, että helium 3:ssa. Monet kysymykset pyörteiden käyttäytymisestä ovat kuitenkin edelleen vailla vastausta. Yksi kvanttiutuneiden pyörteiden ominaisuus on, että kvanttimekaaninen virtaus pyörteen ympäri luo pienen jännitysvoiman pyörteeseen, joka aiheuttaa voiman pyörteen päiden välille. Värähteleviä mittalaitteita käytetään supranesteen pyörteiden sekä muiden ominaisuuksien tutkimuksessa, ja modernit nanofabrikaatiomenetelmät mahdollistavat korkean tarkkuuden nanoelektromekaanisten systeemien (NEMS) valmistuksen pienten voimien mittausta varten. Kuten kaikilla mekaanisilla värähtelijöillä, NEMS laitteilla on useita ominaisvärähtelymoodeja. Tekemällä mittauksia usealla taajuudella samanaikaisesti saadaan enemmän tietoa laitteen liikkeestä, sekä siitä, miten ja missä kohtaa värähtelijää mahdollinen mitattava objekti on kiinni. Tässä työssä on tarkoituksena näyttää, että monen moodin mittaukset ovat mahdollisia NEMS laitteella, sekä että ne voivat antaa enemmän tietoa pyörteistä supraneste helium 3:ssa verrattuna aikaisempiin yhden moodin mittauksiin. Ensimmäinen koe tässä työssä tutkii moodien välistä kytkeytymistä ulokepalkin mallisessa NEMS laitteessa. Ensimmäisessä värähtelymoodissa havaitaan merkittävä ominaistaajuuden muutos, kun toisen moodin värähtelyn amplitudia muutetaan. Toisessa kokeessa nähdään, että kvanttiutuneen pyörteen kiinnittymis- ja irtoamistapahtumat laitteeseen voidaan havaita kahden moodin signaaleissa samanaikaisesti. Usean moodin mittaus antaa enemmän tietoa pyörteen ominaisuuksista kuin aikaisemmat yhden moodin mittaukset. Pystymme havaitsemaan pyörteen kiinnitystapahtumia, jotka aiheuttavat keskenään samanlaisen signaalin muutoksen ensimmäisellä moodilla, mutta toisen moodin signaali muuttuu vain osassa tapahtumista. Tästä havainnosta voidaan päätellä, että pyörteillä on useita tapoja, joilla ne voivat kiinnittyä NEMS mittalaitteeseen.Description
Supervisor
Eltsov, VladimirThesis advisor
Eltsov, VladimirKeywords
superfluid, NEMS, quantized vortex, helium
