Quantum fluid dynamics and quantum turbulence probed using micro- and nano-resonators

Abstract

In this Thesis, we present an excessive study of the dynamics of quantum fluids em- ploying the detectors in the form of mechanical resonating structures with characteristic dimensions below 1 mm. We operate the devices in normal and superfluid liquid phases of both helium isotopes scanning the wide range of temperatures between 2.17 K and ≈ 150 µK. We show, that the detectors in the form of quartz tuning forks and supercon- ducting vibrating wires are suitable probes in both hydrodynamic and ballistic regimes of superfluids, described by two-fluid model. These devices can be used to initiate and observe turbulent transition in quantum fluids leading to the generation of quantum tur- bulence. The same devices can work as detectors of externally driven turbulent flows. The phenomenon of quantum turbulence, representing any turbulent flow of quantum fluids, is discussed in more detail. We further report observation of turbulent onset in mechanically and thermally driven oscillatory flows. This transition can have origin in both of the components of superfluid 4 He, leading to either classical-like instability or "quantum" instability connected with the generation of quantized vortices. Finally, we discuss the properties and potential of the MEMS and NEMS devices, advancing from much smaller dimensions,...

Táto Práca predstavuje rozsiahlu štúdiu dynamiky kvantových kvapalín prostredníc- tvom ponorených mechanických rezonátorov o rozmeroch menších ako milimeter. Tieto detektory boli použité pre výzkum normálnej aj supratekutej kvapalnej fáze oboch izoto- pov hélia v širokom rozsahu tepl̂ot od 2.17 K po ≈ 150 µK. Rezonátory vo forme kremen- ných ladičiek a supravodivých vibtujúcich dr̂otikov sa ukázali byť vhodným nástrojom ako v hydrodinamickej limite tak aj balistickej limite supratekutého hélia popísaného dvojzložkovým modelom. V našich experimentoch možeme použiť tieto rezonátory nielen k vybudeniu turbulentného prúdenia ale aj k detekcii turbulencie v prúdení generovanom externými zdrojmi. K tomuto účelu prezentujeme charakterizačné merania na lokálnej úrovni s vibrujúcim dr̂otikom v tepelnom protiprúde a porvnávame ich s výsledkami me- tódy tlmenia druhého zvuku. Súčasťou Práce je ďalej charakterizácia prvotnej nestability, ktorá vzniká v oscilačných prúdeniach budených buď mechanicky alebo tepelne a jej pô- vod v normálnej či supratekutej zložke supratekutého hélia m̂ože byť identifikovaný na základe vhodného bezrozmerného parametru. Tieto merania umožnujú vysvetliť nejas- nosti v určovaní kritickej rýchlosti v predchádzajúcich experimentoch pojednávajúcich oscilačný protiprúd. Na záver diskutujeme...