Dynamics and vortex structures in topological superfluid ³He at ultra-low temperatures and under confinement

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-03-01
Date
2019
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
90 + app. 84
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 23/2019
Abstract
Symmetry and its breaking are central to the modern understanding of the physical world. In conjunction with a handful of judiciously chosen experiments and topological reasoning, they have guided us to formulating fundamental laws in the context of relativistic quantum field theory as well as the theory of possible states of matter, their phase transitions and universal behavior. Topological defects, such as quantized vortices, affect the behavior at macroscopic scales. The range of possible defects is governed by the broken symmetries and topology of the system. The symmetries contained by the normal phase of ³He are exceptionally rich, and support a variety of symmetry-breaking phase transitions to macroscopically coherent, superfluid, states. Due to the existence of these symmetry-breaking phase transitions and the zoo of topological and nontopological defects allowed by the different superfluid phases, ³He can be used as a model system for a wide range of research topics ranging from turbulence and topological quantum computing to cosmology and grand unification scenarios. This thesis focuses on experimental studies on properties of linear topological defects born due to breaking of the U(1) symmetry at the superfluid transition - quantized vortices. At ultra-low temperatures in the superfluid B phase we quantify the interpretation of vortex imaging techniques based on Andreev scattering of thermal quasiparticles and study the response of an equilibrium vortex array to perturbations, namely to a rapid spin-down of the rotating drive. Superfluid B phase of ³He provides a unique platform to study non-equilibrium hydrodynamics as the ratio of the inertial and viscous forces may be tuned by orders of magnitude by changing the temperature. Recent advances in experimental techniques have demonstrated that under engineered confinement the topology of the superfluid may be altered, resulting in novel superfluid phases. These phases provide experimental access to new types of topological and nontopological defects, which are also studied in this thesis. We demonstrate that a new type of vortex - the half-quantum vortex (HQV), is stabilized in the superfluid polar phase. Taking advantage of the phase diagram of ³He under confinement, we demonstrate that HQVs may be transferred to superfluid phases with polar distortion - with striking consequences. In the polar-distorted A phase the HQVs have been predicted to harbor isolated Majorana fermions that in 2D systems obey non-Abelian statistics, while in the polar-distorted B phase the HQVs survive as "walls bounded by strings" - composite defects predicted in cosmological context decades ago.

Symmetriat ja niiden rikkoutuminen ovat modernin fysiikanymmärryksen keskiössä. Yhdessä kokeellisten tulosten sekä topologisen päättelyn kanssa ne ovat johdattaneet meitä fundamen-taalien fysiikan lakien muodostamisessa, niin relativistisen kvanttikenttäteorian kuin faasi-transitioiden ja aineen käyttäytymisen kontekstissa. Topologiset defektit, kuten monopolit, säikeet ja domainseinät, vaikuttavat materian käyttäytymiseen makroskooppisella tasolla. Topologisten defektien kirjo määräytyy systeemin rikkoutuneista symmetrioista sekä topologiasta. Helium-3 -normaalinestettä kuvaava symmetriaryhmä on erityisen laaja, mahdollistaen monien makro-skooppisesti koherenttien supranestefaasien olemassaolon. Juuri symmetriaa rikkovien faasi-transitioiden sekä topologisten defektien kirjon ansiosta helium-3:a voidaan käyttää mallisys-teeminä suurelle määrälle kohteita, turbulenssista ja topologisesta kvanttilaskennasta kosmolo-giaan ja suuren yhtenäisteorian tutkimukseen. Tämä väitöskirja keskittyy supranestetransition rikkoutuneen U(1)-symmetrian seurauksena syn-tyvien yksiulotteisten topologisten defektien, kvantittuneiden virtauspyörteiden eli vorteksien, ko-keelliseen tutkimukseen. Keskiössä ovat tutkimukset ultrakylmissä lämpötiloissa supranesteen B-faasissa, jossa varmennamme Andreev-sirontaan perustuvan vorteksien kuvantamistekniikan tul-kinnan sekä tutkimme vorteksirakenteen vastetta pyörityksen nopeaan pysäyttämiseen. Supraneste ³He-B -faasi tarjoaa ainutlaatuisen alustan epätasapainodynamiikan tutkimukselle, sillä sisäisten ja häviöllisten voimien keskinäistä suhdetta voidaan muuttaa kertaluokkia ainoastaan lämpötilaa säätämällä. Viimeaikaiset edistysaskeleet kokeellisissa tekniikoissa ovat näyttäneet, että rajoitetussa geomet-riassa supranesteen topologiaa voidaan muuntaa siten, että näytteeseen syntyy uusia supraneste-faaseja. Nämä faasit tarjoavat kokeellisen pääsyn uudentyyppisiin topologisiin ja ei-topologisiin defekteihin, jota myös tutkitaan tässä väitöskirjassa. Näytämme, että uudentyyppinen defekti, puo-likvanttivorteksi, pystytään stabiloimaan supranesteen polaarifaasissa. Hyödyntäen helium-3:n faasikaaviota rajoitetussa geometriassa näytämme myös, että puolikvanttivorteksi selviää faasi-transitioista polaari-vääristyneisiin faaseihin - hätkähdyttävin seurauksin. Polaari-vääristyneessä A-faasissa puolikvanttivorteksien ydinten on esitetty sisältävän Majorana-tiloja, jotka kaksiuloit-teisissa systeemeissä noudattavat ei-Abeliaanista statistiikkaa. Polaari-vääristyneessä B-faasissa puolestaan puolivanttivorteksit selviytyvät "säikeiden rajaamina seininä" - komposiittidefekteinä, joiden olemassaolo ennustettiin kosmologisessa yhteydessä kymmeniä vuosia sitten.
Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Thesis advisor
Eltsov, Vladimir, Dr., Aalto University, Department of Applied Physics, Finland
Keywords
helium-3, superfluid, quantized vortex, ultra-low temperatures, topological matter, half-quantum vortex, walls bounded by strings, supraneste, kvantittunut virtauspyörre, ultramatalat lämpötilat, topologinen materia, puolikvanttivorteksit, säikeiden rajaamat seinät
Other note
Parts
  • [Publication 1]: J.J. Hosio, V.B. Eltsov, R. de Graaf, M. Krusius, J. Mäkinen, D. Schmoranzer. Propagation of Thermal Excitations in a Cluster of Vortices in Superfluid 3He-B, Physical Review B 84, 224501, 2011.DOI: 10.1103/PhysRevB.84.224501
  • [Publication 2]: J.J. Hosio, V.B. Eltsov, M. Krusius, J.T. Mäkinen. Quasiparticle-Scattering Measurements of Laminar and Turbulent Vortex Flow in the Spin-Down of Superfluid 3He-B, Physical Review B 85, 224526, 2012.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.85.224526 View at publisher
  • [Publication 3]: S. Autti, V.V. Dmitriev, J.T. Mäkinen, A.A. Soldatov, G.E. Volovik, A.N. Yudin, V.V. Zavjalov, V.B. Eltsov. Observation of Half-Quantum Vortices in Topological Superfluid 3He, Physical Review Letters 117, 255301, 2016.
    DOI: 10.1103/PhysRevLett.117.255301 View at publisher
  • [Publication 4]: J.T. Mäkinen, V.B. Eltsov. Mutual Friction in Superfluid 3He-B in the Low-Temperature Regime, Physical Review B 97, 014527, 2018.
    DOI: 10.1103/PhysRevB.97.014527 View at publisher
  • [Publication 5]: J.T. Mäkinen, V.V. Dmitriev, J. Nissinen, J. Rysti, G.E. Volovik, A.N. Yudin, K. Zhang, V.B. Eltsov. Half-Quantum Vortices and Walls Bounded by Strings in Polar-Distorted Phases of TopologicalSuperfluid 3He, Nature Communications 10, 237, 2019.
    DOI: 10.1038/s41467-018-08204-8 View at publisher
  • [Publication 6]: T.S. Riekki, J. Rysti, J.T. Mäkinen, A.P. Sebedash, V.B. Eltsov, J.T. Tuoriniemi. Effects of 4He film on quartz tuning forks in 3He at ultralow temperatures, Journal of Low Temperature Physics, 2019.
    DOI: 10.1007/s10909-018-02141-y View at publisher
Citation