Nanoelectromechanical resonators and nanoconfinement in quantum fluids

dc.contributorAalto-yliopistofi
dc.contributorAalto Universityen
dc.contributor.advisorEltsov, Vladimir, Dr., Aalto University, Finland
dc.contributor.authorKamppinen, Timo
dc.contributor.departmentTeknillisen fysiikan laitosfi
dc.contributor.departmentDepartment of Applied Physicsen
dc.contributor.labROTA - Topological Quantum Fluidsen
dc.contributor.schoolPerustieteiden korkeakoulufi
dc.contributor.schoolSchool of Scienceen
dc.contributor.supervisorHakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
dc.date.accessioned2023-03-30T09:00:12Z
dc.date.available2023-03-30T09:00:12Z
dc.date.defence2023-04-14
dc.date.issued2023
dc.description.abstractModern nanofabrication techniques have led to tremendous advances in many fields of physics. In particular, new superfluid phases of helium-3 have recently been discovered in engineered geometries that sculpture the order parameter of the topological superfluid on the nanometer scale. Detailed studies are required to reveal the physical properties of the new superfluid phases, and to identify the mechanisms that stabilize them. Recently, nanomechanical sensors for superfluid helium-4 have also emerged. They are promising tools for studying, for instance, the fast dynamics of quantized vortices. Incorporating nanoelectromechanical resonators to a superfluid environment pose several challenges involving acoustic dissipation, interaction with nearby surfaces, nonlinearity, and understanding of the device-fluid interactions in mesoscopic objects. In this thesis, low-frequency nanoelectromechanical resonators for studying the superfluids helium-4 and helium-3 are developed. To minimize the effect of walls, freestanding aluminum devices are fabricated on an opening in the substrate. The devices are characterized in vacuum, in helium-4 gas, and in superfluid helium-4. Good understanding of the device-intrinsic properties such as tunneling two-level systems is achieved, and device-fluid interactions are found to be in good agreement with the theories derived for macroscopic objects. Additionally, we use nuclear magnetic resonance spectroscopy to study the polar phase of superfluid helium-3, stabilized between oriented strands of nanometer-scale diameter and spacing. We show that the stability of the polar phase against scattering from non-magnetic impurities is protected by an extension of the Anderson theorem, albeit the system is an unconventional p-wave state with anisotropic gap. We verify experimentally that the superfluid gap in the polar phase has a cubic temperature dependence, which is a direct consequence of the Dirac nodal line in the spectrum of the Bogoliubov quasiparticles. The confining strands pin vortices strongly, allowing us to measure the density of vortices created in the transition to the superfluid state. We show that an applied bias field suppresses the number of vortices created by the Kibble-Zurek mechanism, providing a shortcut to adiabaticity in this system. The uncovered intrinsic properties of the nanoelectromechanical sensors aid in the design of new devices, and the good understanding of the device-fluid interactions demonstrated in the thesis pave way for future experiments, for instance on vortex dynamics. In helium-3, studies on vortex dynamics enable probing the properties of the fermionic vortex-core-bound states, including the elusive Majorana zero mode. In future, nanoengineered sensors and nanoengineered confinement of helium-3 could be combined, allowing for example experiments on dynamics of the synthetic electromagnetic and gravitational fields.en
dc.description.abstractNykyaikaiset nanovalmistusmenetelmät ovat vieneet monia fysiikan aloja eteenpäin. Eritoten, uusia helium-3 supranesteen olomuotoja on hiljattain löydetty  geometrioista, jotka muovaavat kyseisen topologisen supranesteen järjestysparametria nanometrien mittaluokassa. Näiden uusien olomuotojen ominaisuuksien kartoittaminen vaatii tarkkoja mittauksia. Hiljattain, myös nanovalmistetut anturit ovat rantautuneet helium-4 supranesteen tutkimukseen. Ne ovat lupaavia työkaluja, joilla voidaan tutkia esimerkiksi kvantittuneiden virtauspyörteiden nopeaa dynamiikkaa. Nanoelektromekaanisten värähtelijöiden käyttö supranesteissä on haastavaa useista syistä, mukaan lukien akustiset energiahäviöt, vuorovaikutus läheisten pintojen kanssa, epälineaarisuus, sekä laitteen ja nesteen välisten vuorovaikutusten ymmärtäminen näissä laitteissa. Tässä väitöskirjassa kehitetään matalataajuuksisia nanoelektromekaanisia värähtelijöitä helium-4 ja helium-3 supranesteiden tutkimukseen. Alumiiniset laitteet valmistetaan substraatissa olevan aukon päälle pintojen vaikutuksen vähentämiseksi. Laitteiden ominaisuudet kartoitetaan tyhjiössä, helium-4 kaasussa sekä helium-4 supranesteessä. Työssä saavutetaan hyvä ymmärrys laitteiden sisäisistä ominaisuuksista, kuten tunneloituvista kaksitasosysteemeistä. Kokeellisesti todetut laitteen ja nesteen väliset vuorovaikutukset ovat sopusoinnussa makroskooppisen kokoisille laitteille johdettujen teorioiden kanssa. Tutkimme myös helium-3 supranesteen polaarifaasia ydinmagneettisen resonanssispektroskopian avulla. Polaarifaasi saavutetaan täyttämällä lähes samansuuntaisista säikeistä koostuva nanomateriaali helium-3 supranesteellä. Näytämme, että polaarifaasi on vakaa epämagneettista epäpuhtaussirontaa vastaan Andersonin teoreeman laajennuksen ansiosta, vaikka kyseessä on epätavanomainen p-aalto -tila, jolla on suuntariippuva energia-aukko. Varmistamme kokeellisesti polaarifaasin energia-aukon lämpötilariippuvuuden, joka on suora seuraus Diracin noodiviivasta. Säikeet sitovat kvantittuneita virtauspyörteitä voimakkaasti, joka mahdollistaa faasitransitiossa syntyneiden virtauspyörteiden määrän mittaamisen. Osoitamme, että Kibble-Zurek menetelmällä syntyneiden virtauspyörteiden määrää voidaan vähentää magneettikentän avulla, tarjoten oikotien adiabaattisuuteen tässä systeemissä. Löydetyt nanomekaanisten värähtelijöiden ominaisuudet auttavat uusien laitteiden suunnittelussa.  Laitteiden ja nesteiden välisten vuorovaikutusten ymmärrys uurtaa uraa tuleville mittauksille, esimerkiksi pyörteiden dynamiikkaan liittyen. Helium-3 supranesteessä pyörteiden dynamiikan tutkimus mahdollistaa pyörteiden ytimeen sidottujen tilojen kuten Majorana fermionien tutkimisen. Tulevaisuudessa nanomekaaniset värähtelijät ja rajoitetut nanogeometriat voidaan yhdistää, joka mahdollistaisi esimerkiksi synteettisten gravitaatio- ja elektromagnaattisten kenttien tutkimisen.fi
dc.format.extent102 + app. 68
dc.format.mimetypeapplication/pdfen
dc.identifier.isbn978-952-64-1201-6 (electronic)
dc.identifier.isbn978-952-64-1200-9 (printed)
dc.identifier.issn1799-4942 (electronic)
dc.identifier.issn1799-4934 (printed)
dc.identifier.issn1799-4934 (ISSN-L)
dc.identifier.urihttps://aaltodoc.aalto.fi/handle/123456789/120340
dc.identifier.urnURN:ISBN:978-952-64-1201-6
dc.language.isoenen
dc.opnCollin, Eddy, Dr., Institut Néel CNRS, France
dc.publisherAalto Universityen
dc.publisherAalto-yliopistofi
dc.relation.haspart[Publication 1]: T. Kamppinen, V. B. Eltsov. Nanomechanical Resonators for Cryogenic Research. Journal of Low Temperature Physics 196, 283 (2019). Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201902252106. DOI: 10.1007/s10909-018-02124-z
dc.relation.haspart[Publication 2]: T. Kamppinen, J. T. Mäkinen, V. B. Eltsov. Dimensional control of tunneling two-level systems in nanoelectromechanical resonators. Physical Review B 105, 035409 (2022). Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202201261437. DOI: 10.1103/PhysRevB.105.035409
dc.relation.haspart[Publication 3]: T. Kamppinen, J. T. Mäkinen, V. B. Eltsov. Superfluid 4He as a rigorous test bench for different damping models in nanoelectromechanical resonators. Physical Review B 107, 014502 (2023). Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202302202104. DOI: 10.1103/PhysRevB.107.014502
dc.relation.haspart[Publication 4]: T. Kamppinen, J. Rysti, M.-M. Volard, G. E. Volovik, V. B. Eltsov. Topological nodal line in superfluid 3He and the Anderson theorem. Under review in Nature Communications, arXiv:1908.01645v4 (2022). DOI: 10.48550/arXiv.1908.01645
dc.relation.haspart[Publication 5]: J. Rysti, J. T. Mäkinen, S. Autti, T. Kamppinen, G. E. Volovik, V. B. Eltsov. Suppressing the Kibble-Zurek Mechanism by a Symmetry-Violating Bias. Physical Review Letters 127, 115702 (2021). Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-202109229328. DOI: 10.1103/PhysRevLett.127.115702
dc.relation.ispartofseriesAalto University publication series DOCTORAL THESESen
dc.relation.ispartofseries42/2023
dc.revHeikkilä, Tero, Prof., University of Jyväskylä, Finland
dc.revParpia, Jeevak, Prof., Cornell University, USA
dc.subject.keywordNEMSen
dc.subject.keywordNMRen
dc.subject.keywordheliumen
dc.subject.keywordsuperfluiden
dc.subject.keywordquantized vortexen
dc.subject.keywordsupranestefi
dc.subject.keywordkvantittunut virtauspyörrefi
dc.subject.otherPhysicsen
dc.titleNanoelectromechanical resonators and nanoconfinement in quantum fluidsen
dc.titleNanoelektromekaaniset värähtelijät ja nanorajoitetut geometriat kvanttinesteissäfi
dc.typeG5 Artikkeliväitöskirjafi
dc.type.dcmitypetexten
dc.type.ontasotDoctoral dissertation (article-based)en
dc.type.ontasotVäitöskirja (artikkeli)fi
local.aalto.acrisexportstatuschecked 2023-04-18_1245
local.aalto.archiveyes
local.aalto.formfolder2023_03_30_klo_10_42
local.aalto.infraOtaNano
local.aalto.infraOtaNano - Aalto Nanofab/Micronova
local.aalto.infraOtaNano - Low Temperature Laboratory
local.aalto.infraOtaNano - Nanomicroscopy Center
local.aalto.infraScience-IT
Files
Original bundle
Now showing 1 - 1 of 1
No Thumbnail Available
Name:
isbn9789526412016.pdf
Size:
22.37 MB
Format:
Adobe Portable Document Format