Oscillations on helium surfaces

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2015-08-28
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Date
2015
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
62 + app. 115
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 96/2015
Abstract
Helium is light, chemically inert monatomic noble gas with either four (4He) or three (3He) nucleons. Both isotopes can be liquefied by lowering the temperature down to few kelvins. Further cooling does not solidify the liquid. Instead, quantum mechanics begins to play a significant role. Particles are divided into two classes, bosons and fermions, whose properties differ in fundamental ways. Helium represents both of these classes as the number of elementary particles is even in bosonic 4He and odd in fermionic 3He. When normal liquid is cooled down, it becomes more viscous, and the movement of an immersed object becomes increasingly damped. However, in bosonic 4He the damping begins to diminish at around 2 K. This transition from normal liquid into superfluid phase origins from quantum mechanics. As fermionic 3He obeys different statistics, also the superfluid transition temperature differs by several orders of magnitude: 3He becomes superfluid at temperatures around 1 mK. In the low temperature limit the damping is caused by rarefied gas of thermally excited quasiparticles. In this thesis standing waves on the free surface of superfluid 4He and 3He were studied experimentally. The measured damping of the waves reflects the boson or fermion character of the medium. Measurements were in reasonable agreement with theoretical prediction of damping due to thermal quasiparticles. Also the resonance frequencies were consistent with the previously measured value of the surface tension. The same experimental setup was also used to study saturated solution of 3He-4He mixture. The molar volume was measured at pressures up to the melting pressure. The melting pressure depends on only one variable, and therefore it can be used for thermometry. When temperature is 294 mK two liquid and two solid phases coexist. This quadruple point can serve as a fixed temperature point.

Helium on kevyt, kemiallisesti reagoimaton, yksiatominen jalokaasu, joka koostuu neljästä (4He) tai kolmesta (3He) nukleonista. Molemmat isotoopit voidaan nesteyttää laskemalla lämpötila muutamaan kelviniin. Helium ei kuitenkaan muutu kiinteäksi lämpötilaa laskemalla. Sen sijaan kvanttimekaniikan merkitys korostuu. Hiukkaset jaetaan kahteen ryhmään, bosoneihin ja fermioneihin, joiden perimmäiset ominaisuudet eroavat toisistaan. Heliumilla on edustaja kummassakin ryhmässä, koska bosoninen 4He koostuu parillisesta ja fermioninen 3He parittomasta määrästä alkeishiukkasia. Yleensä nesteen viskositeetti kasvaa jäähdytettäessä. Toisin sanoen nesteessä olevan kappaleen liikkumista vastustava voima kasvaa. Bosonisessa 4He-nesteessä liikettä vastustava voima alkaa kuitenkin heikentyä lämpötilan ollessa 2 K. Tämä muutos normaalinesteestä supranesteeksi on kvanttimekaaninen ominaisuus. Fermioninen 3He noudattaa eri lainalaisuuksia, jolloin transitiolämpötilakin poikkeaa usealla kertaluvulla: 3He muuttuu supranesteeksi noin 1 mK lämpötilassa. Matalimmissa lämpötiloissa liikettä vastustava voima johtuu lämpötilan virittämistä kvasihiukkasista koostuvasta harvasta kaasusta. Tässä väitöskirjassa tutkittiin kokeellisesti seisovia aaltoja 4He- ja 3He-supranesteiden pinnoilla. Mitattu liikkeen vaimeneminen kuvastaa väliaineen bosonista tai fermionista luonnetta. Mittaukset vastasivat melko hyvin teoriaa, jossa vaimenemisen oletettiin johtuvan lämpötilan virittämistä kvasihiukkasista. Myös resonanssitaajuuksia vastaava pintajännityksen arvo oli sopusoinnussa aiempien mittausten kanssa. Samaa koelaitteistoa käytettiin myös kylläisen 3He-4He-liuoksen tutkimisessa. Moolitilavuus mitattiin eri paineissa aina sulamispaineeseen saakka. Sulamispaine riippuu vain yhdestä muuttujasta, joten sitä voidaan käyttää lämpötilan mittaamiseen. Lämpötilan ollessa 294 mK seoksessa on samanaikaisesti kaksi neste- ja kaasufaasia. Tätä nelipistettä voidaan käyttää lämpötilan kiintopisteenä.
Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Tuoriniemi, Juha, Doc., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
helium-3, helium-4, superfluid, helium mixture, solid helium, free surface, surface wave, crystallization wave, quasiparticle, damping, hydrodynamics, interdigital capacitor, quartz tuning fork, supraneste, heliumseos, kiinteä helium, vapaa pinta, pinta-aalto, kiteytymisaalto, kvasihiukkanen, vaimeneminen, hydrodynamiikka, kampakondensaattori, kvartsivärähtelijä
Other note
Parts
  • [Publication 1]: M. S. Manninen, J. Rysti, I. A. Todoshchenko, and J. T. Tuoriniemi. Surface Waves on Superfluid 3He and 4He. 25 pages, arXiv:1504.02344 (2015).
  • [Publication 2]: M. S. Manninen, J. Rysti, I. Todoshchenko, and J. Tuoriniemi. Quasiparticle damping of surface waves in superfluid 3He and 4He. Physical Review B 90, 224502(1–4) (2014).
    DOI: 10.1103/PhysRevB.90.224502 View at publisher
  • [Publication 3]: M. S. Manninen, J.-P. Kaikkonen, V. Peri, J. Rysti, I. Todoshchenko, and J. Tuoriniemi. Excitation and Detection of Surface Waves on Normal and Superfluid 3He. Journal of Low Temperature Physics 175, 56–62 (2014).
    DOI: 10.1007/s10909-013-0971-x View at publisher
  • [Publication 4]: M. S. Manninen, H. J. Junes, J.-P. Kaikkonen, A. Ya. Parshin, I. A. Todoshchenko, and V. Tsepelin. Experimental setup for the observation of crystallization waves in 3He. Journal of Physics: Conference Series 150, 012026(1–4) (2009).
    DOI: 10.1088/1742-6596/150/1/012026 View at publisher
  • [Publication 5]: J. Rysti, M. S. Manninen, and J. Tuoriniemi. Measurements on Melting Pressure, Metastable Solid Phases, and Molar Volume of Univariant Saturated Helium Mixture. Journal of Low Temperature Physics 175, 739–754 (2014).
    DOI: 10.1007/s10909-014-1154-0 View at publisher
  • [Publication 6]: J. T. Tuoriniemi, M. S. Manninen, and J. Rysti. Pressure dependent attenuation peaks for quartz tuning forks in superfluid 4He at mK temperatures. Journal of Physics: Conference Series 568, 012023(1-6) (2014).
    DOI: 10.1088/1742-6596/568/1/012023 View at publisher
  • [Publication 7]: I. A. Todoshchenko, M. S. Manninen, and A. Ya. Parshin. Anisotropy of c facets of 4He crystal. Physical Review B 84, 075132(1-5) (2011).
    DOI: 10.1103/PhysRevB.84.075132 View at publisher
  • [Publication 8]: I. A. Todoshchenko, H. Alles, H. J. Junes, M. S. Manninen, and A. Ya. Parshin. Nuclear Spin Ordering on the Surface of a 3He Crystal: Magnetic Steps. Physical Review Letters 102, 245302(1-4) (2009).
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.102.245302 View at publisher
  • [Publication 9]: I. A. Todoshchenko, H. Alles, H. J. Junes, M. S. Manninen, and A. Ya. Parshin. Devil’s Staircase of Facets on the Surface of 4He Crystals. Physical Review Letters 101, 255302(1-4) (2008).
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.101.255302 View at publisher
  • [Publication 10]: H. J. Junes, H. Alles, M. S. Manninen, A. Y. Parshin, and I. A. Todoshchenko. Stacking Fault Energy in 4He Crystals. Journal of Low Temperature Physics 153, 244–249 (2008).
    DOI: 10.1007/s10909-008-9828-0 View at publisher
  • [Publication 11]: I. A. Todoshchenko, H. Alles, H. J. Junes, M. S. Manninen, A. Y. Parshin, and V. Tsepelin. Elementary Excitations in Solid and Liquid 4He at the Melting Pressure. Journal of Low Temperature Physics 150, 258–266 (2008).
    DOI: 10.1007/s10909-007-9544-1 View at publisher
Citation