Study of dissipative effects in nanofluidic superfluid acoustics in quadrupolar geometry below 1 K

Abstract

The low-temperature superfluid helium phase is unique in that it does not exhibit viscosity under certain conditions. This makes the superfluid suitable for use in acoustic resonators, which can then have high quality factors. We examine a particular 1 µm thick acoustic resonator of quadrupolar geometry in a fused quartz substrate. For the measurements, we manufacture a special antisymmetrically driven capacitance bridge. We perform measurements of various helium modes in the temperature range 130 mK - 1.8 K. To determine the main sources of dissipation, three separate energy loss mech- anisms are considered. A simple analytical model for the dynamics of the resonator is developed. We find that at high temperatures the dissipation can be very well described by normal-fluid viscous dissipation. At low temperatures, we identify and fit the behavior to the standard tunneling model of amorphous solids. Finally, we calculate parameters of the resonator as a resonant mass detector of gravitational waves.

Nízkoteplotní supratekutá fáze hélia je unikátní tím, že za jistých okolností nevyka- zuje viskozitu. Z tohoto důvodu je supratekuté hélium vhodné pro použití v akustických rezonátorech, které pak můžou dosáhnout vysokých faktorů kvalit rezonance, čehož se dá využít například pro detekci gravitačních vln. Tato práce je zaměřena na studium konkrétního prototypu supratekutého akustistického detektoru gravitačních vln, 1 µm tlustého rezonátoru s kvadrupolární geometrií z amorfního křemene. Pro měření jsme vy- robili speciální antisymetrický kapacitní můstek. Provedli jsme měření různých héliových rezonančních módů v teplotním rozsahu 130 mK - 1.8 K. Pro určení hlavních zdrojů disipace jsme uvažovali tři různé mechanismy ztráty energie. Vytvořili jsme jednoduchý analytický model pro popis dynamiky rezonátoru. Bylo zjištěno, že při vysokých teplotách může být disipace velmi dobře popsána viskózní disipací normální složky hélia, naopak na nízkých teplotách vysvětlujeme disipaci standardním modelem tunelování pro amorfní látky. Na závěr spočítáme relevantní parametry rezonátoru pro detekci gravitačních vln.