Využitie lokálnych sond vo výzkume prúdení supratekutého 4He.

Abstract

Hlavným cieľom tejto Práce bolo vyrobiť a charakterizovať nový typ lokálnej sondy pre detekciu kvantovej turbulencie v He II. Nami navrhnuté oscilujúce MEMS zariadenia sú tvorené polkruhovými 3 mm širokými slučkami supravodivého NbTi drôtu s prieme- rom 40 µm, uloženými v magnetickom poli a ich pohyb je budený striedavým prúdom. K detekcii kvantovej turbulencie využívame meranie zmeny hydrodynamického správania sondy, tj. zmenu amplitúdy a rezonančnej frekvencie oscilácií, v závislosti od intenzity ex- terného prúdenia. V tejto Práci sa zaoberáme vznikom kvantovej turbulencie v tepelnom protiprúde He II v rozmedzí teplôt 1,45 K až 2,1 K, čo predstavuje dobre preskúmaný systém vhodný pre základnú charakterizáciu našich zariadení. Odozva použitých detekto- rov je ďalej kalibrovaná na intenzitu turbulencie popísanú hustotou vírových čiar L, ktorá je súčasne meraná dobre zaužívanou metódou tlmenia druhého zvuku. Táto metóda je síce citlivejšia ako navrhnuté mikrorezonátory, no neumožnuje lokálnu detekciu L nevy- hnutnú pre skúmanie nehomogénnych systémov kvantovaných vírov. Následná analýza výsledkov na základe Donnellyho čísla charakterizujúceho nestability prúdenia normál- nej zložky He II a na základe hustoty vírových čiar potvrdila citlivosť použitých sond práve na kvantované víry v supratekutej zložke. 1

The main goal of this Thesis was the manufacture and characterisation of a new type of local probe of quantum turbulence in He II. Our MEMS devices are semicircular loops 3 mm in diameter made of 40 µm superconducting NbTi wire placed in magnetic field, whose motion is driven by applied alternating current. To detect quantum turbulence, we measure the hydrodynamic properties of the probe, in particular changes in its reso- nant frequency and amplitude depending on the applied external flow. In this work we specifically investigate the generation of quantum turbulence in thermal counterflow of He II for temperatures between 1.45 K and 2.1 K, representing a well-known and under- stood system suitable for the characterisation of our devices. Additionally, the response of the detectors is calibrated against the intensity of turbulence as given by the vortex line density L, measured simultaneously using second sound attenuation. This technique is more sensitive than the microresonators, but precludes any attempts at local detection of L necessary to study inhomogeneous systems of quantized vortices. Analysis of the results based on the Donnelly number describing instabilities in the normal component has confirmed the sensitivity of the probe to quantized vortices in the superfluid. 1