Coupling between First Sound and Second Sound in 3He - Superfluid 4He Mixtures
| Title: | Coupling between First Sound and Second Sound in 3He - Superfluid 4He Mixtures |
| Author(s): | Riekki, Tapio |
| Contributor: | University of Helsinki, Faculty of Science, Department of Physics |
| Discipline: | Physics |
| Language: | English |
| Acceptance year: | 2016 |
| Abstract: |
Helium has two stable isotopes: more common 4He with four nucleons, and the very rare 3He with three nucleons. At sufficiently low temperature, helium can become superfluid that has no viscosity. This transition is quantum mechanical in nature, and since bosonic 4He and fermionic 3He follow different quantum statistics, there is a significant difference in the transition temperature between them. It is about 2 K for pure 4He, but for pure 3He it is three orders of magnitude lower, around 1 mK.
3He – 4He mixtures also have several interesting properties at very low temperatures, such as the finite solubility of 3He in 4He even at absolute zero limit. However, at kelvin range, where our experiment took place, the notable feature is the shifting of the supefluid transition temperature of 4He to a lower temperature due to addition of 3He.
Bulk superfluid helium can support two different sound modes: first sound is ordinary pressure (or density) wave, whereas second sound is a temperature (or entropy) wave, unique to superfluid systems. In inviscid superfluid systems, temperature fluctuations can propagate as second sound wave, but in normal systems, on the other hand, this is not possible, as all temperature fluctuations are strongly damped. First sound and second sound do not usually exist independent of each other, rather pressure variations are accompanied by variations in temperature, and vice versa.
In this thesis, we studied experimentally the coupling between first and second sound in dilute 3He - superfluid 4He mixtures, at saturated vapor pressure, at temperatures between 2.2 K and 1.7 K, and at 3He concentrations ranging from 0 % to 11%, using a quartz tuning fork mechanical oscillator. Second sound that is coupled to first sound can create anomalies in the resonance response of the quartz tuning fork, so-called second sound resonances. We learned that there exists a temperature and concentration region, where these anomalies disappear, which would indicate two sound modes decoupling from each other. We also present a hydrodynamical model that correctly predicts the decoupling behavior.
Heliumilla on kaksi stabiilia isotooppia: yleisemmällä 4He on ytimessään neljä hiukkasta, kun taas hyvin harvinaisella 3He on vain kolme. Tarpeeksi matalassa lämpötilassa helium voi muuttua supranesteeksi, jolloin esimerkiksi sen viskositeetti katoaa kokonaan. Supranestetransitio on luonteeltaan kvanttimekaaninen, joten koska 4He on bosoni ja 3He fermioni, niiden on noudatettavaa eri kvanttistatistikkaa. Sen vuoksi supranestetransitiolämpötilassa on huomattava ero: puhtalla 4He se on noin 2 K, kun taas puhtalla 3He se on kolme kertaluokkaa matalampi noin 1 mK
3He - 4He -seoksilla on myös useita mielenkiintoisia ominaisuuksia, kuten 3He äärellinen liukoisuus 4He:ään jopa absoluuttisen nollapisteen rajalla. Tässä tutkielmassa esiteltävät mittaukset on kuitenkin suoritettu noin yhden kelvinin lämpötilassa, jossa eräs seosten havaittava piirre on 4He supranestetransition siirtyminen matalammalle lämpötilalle 3He määrää kasvatettaessa.
Supraneste-heliumissa voi edetä kaksi erilaistä ääniaaltotyyppiä: tavallisen paineaallon (tai tiheysaallon) eli ensimmäisen äänen lisäksi löytyy lämpötila-aalto (tai entropia-aalto), jota kutsutaan toiseksi ääneksi. Toinen ääni on ainutlaatuinen supranestesysteemeille, koska viskoosittomassa supranesteessä lämpötilafluktuaatioiden on mahdollista edetä aaltomaisesti, kun taas normaaleissa systeemeissä ne ovat hyvin voimakkaasti vaimentuvia. Ensimmäinen ääni ja toinen ääni eivät yleensä esiinny toisistaan riippumatta vaan painevaihtelujen mukana tapahtuu lämpötilavaihteluja tai päinvastoin.
Tässä tutkielmassa on tarkasteltu kokeellisesti ensimmäisen ja toisen äänen kytkeytymistä toisiinsa laimeissa 3He - supraneste 4He -seoksissa kylläisessä höyrynpaineessa, lämpötilojen 2.2 K ja 1.7 K välillä sekä 3He konsentraatioissa 0 %:sta aina 11 %:in käyttäen kvartsihaarukkavärähtelijää. Toinen ääni joka on kytkeytynyt ensimmäiseen ääneen pystyy aiheuttamaan poikkeamia kvartsihaarukan resonanssikäytökseen, joita kutsutaan toisen äänen resonansseiksi. Havaittiin, että tietyissä konsentraatioissa ja lämpötiloissa nämä poikkeamat katoavat, mikä kertoo kadonneesta kytkeytymisestä äänien välillä. Tutkielmassa esitellään myös hydrodynaaminen malli, joka ennustaa tämän kytkeytymisen häviämisen.
|
Files in this item
| Files | Size | Format | View |
|---|---|---|---|
| Riekki_Tapio_gradu.pdf | 6.579Mb |
This item appears in the following Collection(s)
-
Faculty of Science [4011]