Measurements of quantum vortices in superfluid helium-4 using nanoelectromechanical resonators
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Perustieteiden korkeakoulu |
Bachelor'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
2025-04-24
Department
Major/Subject
Teknillinen fysiikka
Mcode
SCI3028
Degree programme
Teknistieteellinen kandidaattiohjelma
Language
en
Pages
34
Series
Abstract
At low temperatures, isotopes helium-4 and helium-3 exhibit superfluidity – the flow with zero viscosity. A superfluid can only have rotation in the form of topological defects called quantized vortices, the dynamics of which are not completely known, especially near absolute zero temperature, when the normal component of the superfluid vanishes. Quantum turbulence consists of a tangle of these vortices, and the dynamics and interactions of individual vortices are important for its understanding. Turbulence in superfluids can be created using oscillating structures. It is possible to probe individual vortices with high-sensitivity systems, like nanoelectromechanical resonators (NEMS). In this thesis, we have measured vortices in superfluid helium-4 at temperatures below 20 millikelvin. Vortices are created by a tuning fork and detected using a goalpost-shaped NEMS device with the aim of finding out how vortex dynamics change with increasing drive. The fork excitation dependence has been measured, and a critical velocity for turbulence production is found. Under turbulent drive, the NEMS device switches between three states distinguished by resonance frequency and damping: one state with no vortex attached and two with vortices attached. The lifetimes of these configurations as a function of fork excitation during continuous turbulent drive shorten as the drive and the vortex density surrounding the device increase and vortices are expected to interact with the device more often. Remarkably, the relative duration of time when any vortex is pinned to the device shows non-monotonous dependence with a maximum at an intermediate fork drive. A possible interpretation is that the maximum corresponds to matching of the quantum length scale of the turbulence to the detector device size. The decay of the rate of vortex reconnection events after turbulent drive has been switched off is found to follow an exponential law.Matalissa lämpötiloissa isotoopit helium-4 ja helium-3 muuttuvat supranesteeksi eli nesteeksi, joka virtaa ilman viskositeettia. Supranesteessä pyörteisyys on mahdollista vain topologisten virheiden muodossa, niin sanottuina kvantittuneina pyörteinä, joiden dynamiikkaa ei täysin tunneta lähellä absoluuttista nollapistettä, jossa supranesteen normaalikomponentti häviää. Kvanttiturbulenssi koostuu näiden kvanttipyörteiden vyyhdistä, ja yksittäisten pyörteiden dynamiikka ja vuorovaikutukset ovat keskeisiä sen ymmärtämiselle. Kvanttiturbulenssia voidaan synnyttää supranesteessä värähtelevillä rakenteilla. Yksittäisiä kvanttipyörteitä on mahdollista havaita korkean herkkyyden systeemeillä, kuten nanoelektromekaanisilla värähtelijöillä (NEMS). Tässä työssä mitattiin kvanttipyörteitä supraneste helium-4:ssä alle 20 millikelvinin lämpötilassa. Pyörteitä synnytettiin ääniraudalla ja niitä havaittiin maalitolpan muotoisella NEMS-värähtelijällä, tarkoituksena selvittää, miten pyörteiden dynamiikka muuttuu ääniraudan eksitaation kasvaessa. Ääniraudan eksitaatioriippuvuus mitattiin, ja pyörteiden syntymiselle löydettiin kriittinen piste. Turbulenssissa NEMS-laite vaihteli kolmen eri tilan välillä, jotka erosivat resonanssitaajuudeltaan ja vaimennukseltaan: yksi tiloista oli pyörteetön ja kahdessa kvanttipyörre oli kiinnittyneenä laitteeseen. Näiden tilojen elinajat lyhenivät ääniraudan eksitaation funktiona jatkuvassa turbulenssissa, kun ajoeksitaatio ja pyörteisyys laitteen ympärillä kasvoivat ja pyörteiden oletettiin vuorovaikuttavan laitteen kanssa useammin. Merkittävää on, että suhteellinen aika, kun pyörteitä oli kiinnittyneenä laitteeseen, ei riippunut lineaarisesti ääniraudan eksitaatiosta, vaan saavutti huippuarvon keskisuurella eksitaatiolla. Mahdollinen selitys tälle on, että huippuarvossa turbulenssin kvanttipituusskaala vastaa laitteen fyysistä kokoa. Lisäksi mitattiin kvanttipyörteiden vuorovaikutusten määrää turbulentin ajon lopettamisen jälkeen, ja se väheni ajassa eksponentiaalisesti.Description
Supervisor
Eltsov, VladimirThesis advisor
Eltsov, VladimirKeywords
superfluid, helium-4, quantized vortex, quantum turbulence, NEMS