Microscopic and Macroscopic Studies of Liquid and Solid Helium Mixtures
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Science |
Doctoral thesis (article-based)
| Defence date: 2013-08-19
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author
Instructions for the author
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.
Author
Date
2013
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
198
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 110/2013
Abstract
At low temperatures, helium offers a unique system for the study of quantum mechanical effects on a macroscopic scale. It is the only known condensed matter system, which remains liquid down to the absolute zero temperature. For this reason, helium forms a unique quantum liquid, which can be studied in laboratory conditions. The two stable isotopes of helium, 3He and 4He, obey the two different quantum statistics, 3He being a fermion and 4He a boson. They both undergo a transition into a superfluid state at low temperatures. A new interesting system is obtained by mixing the isotopes. Remarkably, 3He has a finite solubility in 4He even at zero temperature. Dual Fermi-Bose superfluidity of helium mixtures has been predicted to exist, but it has not been observed experimentally. The difficulty is the required extremely low temperature. Adiabatic melting of solid 4He in the presence of liquid 3He is a promising new cooling technique, which is hoped to produce the superfluid transition of helium mixtures. We have been preparing an experiment, which would implement this concept, but due to the complicated experimental setup, we have not yet been able to harvest the full power of the method. The results of this thesis revolve around supporting work for this experiment. In the course of the present studies, some aspects have generated deeper interest in their own right. In this thesis properties of liquid and solid helium mixtures are studied computationally and experimentally. Interactions between 3He atoms dissolved in superfluid 4He are investigated by analyzing experimental data. These interactions determine the transition temperature of the relished superfluid state of helium mixtures. The obtained model for the interactions is further used to calculate other quantities of interest. Retrieving the properties of liquid helium requires novel tools. One such tool, which was introduced to helium research not too long ago, is the quartz tuning fork. It is a mechanical oscillator, whose resonant behavior depends on the surrounding fluid environment. Its complicated geometry presents difficulty in analyzing its characteristics. Numerical methods are utilized in this thesis to understand effects of liquid helium on the quartz tuning fork response.Matalissa lämpötiloissa helium on ainutlaatuinen systeemi kvanttimekaanisten ilmiöiden tutkimiseen makroskooppisessa mittakaavassa. Se on ainut tunnettu systeemi, joka pysyy nesteenä lämpötilan absoluuttiseen nollapisteeseen asti. Tästä johtuen heliumista muodostuu ainutlaatuinen kvanttineste, jota voidaan tutkia laboratorio-olosuhteissa. Heliumin kaksi vakaata isotooppia, 3He ja 4He, noudattavat kahta eri kvanttistatistiikkaa, 3He:n ollessa fermioni ja 4He:n bosoni. Molemmat muuttuvat supranesteiksi matalissa lämpötiloissa. Uusi mielenkiintoinen systeemi saadaan aikaiseksi sekoittamalla näitä isotooppeja. Yllättäen 3He liukenee 4He:än jopa absoluuttisessa nollapisteessä. Heliumseoksen fermioni-bosoni - kaksoissupranesteen on ennustettu olevan olemassa, mutta sitä ei ole vielä havaittu kokeellisesti. Vaikeutena sen saavuttamisessa on tarvittava lämpötila, joka on äärimmäisen matala. Helium-4:n adiabaattinen sulatus 3He:n joukkoon on uusi lupaava jäähdytystekniikka, jonka toivotaan mahdollistavan heliumseosten suprajuoksevuuden saavuttamisen. Olemme valmistelleet koetta, jossa käytettäisiin tätä menetelmää, mutta monimutkaisen koejärjestelyn vuoksi emme ole vielä päässeet hyödyntämään sen täyttä potentiaalia. Tämän väitöskirjan tulokset liittyvät kyseistä koetta tukevaan työhön. Tutkimusten edetessä jotkin osa-alueet ovat muodostuneet itsessään mielenkiintoisiksi tutkimuskohteiksi. Tässä väitöskirjassa nestemäisten ja kiinteiden heliumseosten ominaisuuksia tutkitaan laskennallisesti ja kokeellisesti. Helium-3 -atomien välisiä vuorovaikutuksia 4He:ssä tarkastellaan analysoimalla kokeellisia tuloksia. Nämä vuorovaikutukset määräävät lämpötilan, jossa heliumseos muodostaa odotetun supranestetilan. Saadulla vuorovaikutusten mallilla lasketaan myös muita hyödyllisiä ominaisuuksia. Heliumin ominaisuuksien tutkiminen vaatii uudenlaisia työkaluja. Eräs tällainen työkalu, joka on melko uusi heliumtutkimuksessa, on ääniraudan muotoinen kvartsivärähtelijä. Se on mekaaninen värähtelijä, jonka resonanssiominaisuudet riippuvat ympäröivän aineen ominaisuuksista. Näiden värähtelijöiden monimutkainen geometria vaikeuttaa niiden värähtelyominaisuuksien tarkastelua. Tässä väitöskirjassa tutkitaan nestemäisen heliumin vaikutuksia kvartsivärähtelijöihin numeerisin menetelmin.Description
Supervising professor
Hakonen, Pertti, Prof.Thesis advisor
Tuoriniemi, Juha, Doc.Keywords
helium-3, helium-4, helium mixtures, superfluid, melting pressure, solubility, osmotic pressure, quartz tuning fork, acoustic emission, second sound, helium-3, helium-4, heliumseos, supraneste, sulamispaine, liukoisuus, osmoottinen paine, kvartsivärähtelijä, akustinen emissio, toinen ääni
Other note
Parts
- [Publication 1]: J. Rysti, J. Tuoriniemi, and A. Salmela. Effective 3He interactions in dilute 3He-4He mixtures. Physical Review B 85, 134529 (2012).
- [Publication 2]: Anssi Salmela, Alexander Sebedash, Juho Rysti, Elias Pentti, and Juha Tuoriniemi. Osmotic pressure of 3He/4He mixtures at the crystallization pressure and at millikelvin temperatures. Physical Review B 83, 134510 (2011).
- [Publication 3]: J Rysti, J Tuoriniemi, A Salmela, and A Sebedash. Melting pressure of saturated helium mixture at temperatures between 10 mK and 0.5 K. Journal of Physics: Conference Series 400, 012065 (2012).
- [Publication 4]: Elias Pentti, Juho Rysti, Anssi Salmela, Alexander Sebedash, and Juha Tuoriniemi. Studies on Helium Liquids by Vibrating Wires and Quartz Tuning Forks. Journal of Low Temperature Physics 165, 132 (2011).
- [Publication 5]: J. Rysti and J. Tuoriniemi. Mechanical Oscillators in Inviscid Compressible Fluids. Journal of Low Temperature Physics 171, 273 (2013).
- [Publication 6]: J. Rysti and J. Tuoriniemi. Quartz Tuning Forks and Acoustic Phenomena in Superfluid Helium. arXiv:1304.2795 (2013).
- [Publication 7]: Anssi Salmela, Juha Tuoriniemi, Elias Pentti, Alexander Sebedash, and Juho Rysti. Acoustic resonator providing fixed points of temperature between 0.1 and 2 K. Journal of Physics: Conference Series 150, 012040 (2009).
- [Publication 8]: A. Salmela, J. Tuoriniemi, and J. Rysti. Acoustic Resonances in Helium Fluids Excited by Quartz Tuning Forks. Journal of Low Temperature Physics 162, 678 (2011).
- [Publication 9]: J Tuoriniemi, J Rysti, A Salmela, and M Manninen. Mode analysis for a quartz tuning fork coupled to acoustic resonances of fluid in a cylindrical cavity. Journal of Physics: Conference Series 400, 012077 (2012).
