Transitions in vortex skyrmions in superfluid 3He-A
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
2022-10-18
Department
Major/Subject
Material Physics and Quantum Technology
Mcode
SCI3107
Degree programme
Master’s Programme in Engineering Physics
Language
en
Pages
45
Series
Abstract
This work presents numerical calculations of textures in superfluid 3He-A. The focus is on continuous vortex structures in the A phase, such as the double quantum vortex and the vortex sheet. Two transitions in the vortex structures have been found in our simulations: the merging of separate double quantum vortices into a multi-quanta vortex sheet, and a textural transition in the core of the vortices at very low temperatures due to an analogue of the zero-charge effect from quantum electrodynamics. The minimum energy textures are found using numerical optimization algorithms. Unlike previous calculations on 3 He-A, our simulations allow for domains with arbitrary shapes. The orbital part of the order parameter is parametrized using quaternions to reduce the number of variables required while avoiding the problems of other representations, such as singularities and gimbal lock. The transition between vortex lines and vortex sheets has been observed previously in experiments and the vortex sheet has been predicted to be the lowest energy structure at high rotation velocities. Our simulations show that the transition to a vortex sheet state can be explained by collisions between double quantum vortices. Increasing the rotation velocity causes the vortices to get closer to each other and eventually merge into a closed vortex sheet. The zero-charge transition is a result of the logarithmic divergence of the bending coefficient in the free energy of 3 He-A at low temperatures. A transition to a state with tubes of vorticity at low temperatures has been previously predicted and we present numerical calculations of the transition for the first time. The transition to a state where the vorticity is distributed in a thin tube around the circular merons of the structures is found in our simulations. The transition is observed in simulations for both the vortex sheet and the double quantum vortex. The transition temperature for the vortex sheet is found to depend on the vortex density of the system and a phase diagram of the transition is presented. The numerical calculations form a basis for the search of this effect in experiments. An interesting question for future research is how out of equilibrium dynamics would affect the transitions and the possibility of their observation. Answering this question would require including Bogoliubov quasiparticles into the simulations.Tässä työssä on tutkittu supraneste 3He-A:ssa esiintyviä tekstuureja numeerisin menetelmin. Työ keskittyy jatkuviin vorteksirakenteisiin kuten kaksoiskvanttivorteksiin ja vorteksisolitoniin. Simulaatioissa on havaittu kaksi vorteksirakenteiden transitioa: kaksoiskvanttivorteksien yhdistyminen vorteksisolitoniksi ja muutos vorteksitekstuureissa hyvin alhaisissa lämpötiloissa, joka selittyy analogialla kvanttielektrodynamiikan "zero-charge" efektiin. Tekstuurit, joilla on pienin vapaaenergia, löydetään käyttäen numeerisia optimointialgoritmeja. Edellisistä 3He-A laskelmista poiketen simulaatiomme mahdollistaa tekstuurien etsimisen kaikenmuotoisilla alueilla. Järjestysparametrin orbitaaliosa parametrisoidaan käyttäen kvaternioita laskennallisten muuttujien määrän vähentämiseksi ja muiden representaatioiden ongelmien, kuten singulariteettien ja gimbaali-lukon, välttämiseksi. Transitio yksittäisten vorteksien ja vorteksisolitonin välillä on havaittu aiemmin kokeellisesti ja vorteksisolitonin on ennustettu olevan minimienergiarakenne suurilla pyöritysnopeuksilla. Simulaatiomme osoittavat, että transitio vorteksisolitonitilaan voidaan selittää kaksoiskvanttivorteksien välisillä törmäyksillä. Vorteksit lähestyvät toisiaan pyörimisnopeuden kasvaessa, kunnes ne lopulta yhdistyvät suljetuksi vorteksisolitoniksi. "Zero-charge" transitio on seuraus 3He-A:n taipumisenergian kertoimen logaritmisesta divergenssistä alhaisissa lämpötiloissa. Teoreettisia ennustuksia transitiosta tilaan, jossa pyörteisyys esiintyy ohuina putkina, on tehty aikaisemmin, ja tässä työssä esitämme numeerisia laskelmia transitiosta ensimmäistä ketaa. Simulaatioissamme on havaittu muutos vorteksien rakenteissa, jonka seurauksena pyörteisyys on keskittynyt ohuiksi putkiksi ympyrämeronien ympärille. Transitio on havaittavissa sekä vorteksisolitonien että kaksoiskvanttivorteksien simulaatioissa. Vorteksisolitonin transitiolämpötila riippuu systeemin vorteksitiheydestä, ja transitiolle on luotu faasikaavio. Numeeriset laskelmat luovat pohjan transition etsimiselle kokeellisesti. Tulevassa tutkimuksessa olisi mielenkiintoista selvittää, miten epätasapainotilan dynamiikka vaikuttaa transitioihin ja mahdollisuuksiin niiden kokeellisista havainnoista. Kysymykseen vastaaminen vaatisi Bogoliubov kvasihiukkasten sisällyttämistä simulaatioihin.Description
Supervisor
Hakonen, PerttiThesis advisor
Eltsov, VladimirKeywords
superfluid, quantized vortices, vortex sheet, double quantum vortex, zero-charge effect, skyrmion