Dynamiikka ja häviöt supranesteessä lähestyttäessä nollalämpötilarajaa

Jaakko Hosio

    Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

    Abstrakti

    Lähestulkoon kaikki fysikaaliset systeemit muuttuvat kiinteiksi lämpötilan laskiessa absoluuttiseen nollapisteeseen, ja niinpä hydrodynaamisia ilmiöitä nollalämpötilarajalla voidaan tutkia vain harvoissa erikoistapauksissa. Näistä merkittävimpiä ovat heliumsupranesteet, jotka säilyvät nestemäisenä aina nollalämpötilaan saakka ja jotka matalilla nopeuksilla kykenevät virtaamaan ilman virtausvastusta. Tässä työssä tutkitaan ensimmäistä kertaa laminaarisen ja turbulentin virtauksen vuorovaikutusta ja niihin liittyviä häviöitä lämpötilan nollarajalla. Toisin kuin aiemmin luultiin, molemmat virtausmuodot osoittautuivat häviöllisiksi aina nollalämpötilaan saakka. Supranesteissä pyörivä virtaus esiintyy kvantittuneina virtauspyörteinä, joita kutsutaan vortekseiksi ja joita syntyy virtausnopeuden saavuttaessa tietyn kriittisen rajan. Kohtalaisen korkeissa supranestelämpötiloissa vorteksien liike määräytyy pitkälti vorteksiytimien vuorovaikutuksesta normaalineste-eksitaatioiden kanssa, mutta tämä vuorovaikutus heikkenee voimakkaasti lämpötilan laskiessa. Näin ollen vorteksien liikkeen tulisi muuttua häviöttömäksi nollalämpötilarajalla. Kuten viskooseissa nesteissä, virtaus kuitenkin muuttuu helposti turbulentiksi häviömekanismien heiketessä, ja niinpä turbulenssin odotettiin olevan merkittävässä osassa suurimmassa osassa kokeellisesti saavutettavissa olevissa tapauksissa nollalämpötilarajalla. Tässä työssä supranestedynamiikkaa tutkitaan pyörivässä jäähdyttimessä ydinmagneettisen resonanssin ja termisten eksitaatioiden ns. Andreev-sironnan avulla helium-3-supranesteessä. Sileäseinäisen sylinterisymmetrisen näyteastian tapauksessa virtaus osoittautui käytännössä täysin laminaariseksi. Rikkomalla astian symmetriaa ja muuttamalla reunojen ominaisuuksia virtaus saatiin kuitenkin muuttumaan turbulentiksi. Helium-3-nesteen vorteksien ytimien suuri koko verrattuna helpommin tutkittavissa olevan helium-4-supranesteen vortekseihin havaittiin ratkaisevasti vähentävän virtaushäiriöitä kiinteään seinämään kiinnittyvissä vorteksien päissä. Tämän vuoksi helium-3-supraneste osoittautui erityisen hyödylliseksi nollalämpötiladynamiikan tutkimusalustaksi, vaikka sen tutkimiseen supranestenäyte joudutaankin jäähdyttämään alle millikelvinin lämpötilaan.
    Julkaisun otsikon käännösDynamiikka ja häviöt supranesteessä lähestyttäessä nollalämpötilarajaa
    AlkuperäiskieliEnglanti
    PätevyysTohtorintutkinto
    Myöntävä instituutio
    • Aalto-yliopisto
    Valvoja/neuvonantaja
    • Kaivola, Matti, Vastuuprofessori
    • Eltsov, Vladimir, Ohjaaja
    Kustantaja
    Painoksen ISBN978-952-60-4849-9
    Sähköinen ISBN978-952-60-4850-5
    TilaJulkaistu - 2012
    OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

    Tutkimusalat

    • hydrodynamiikka
    • helium-3
    • supraneste
    • turbulenssi
    • kvantittunut virtauspyörre

    Sormenjälki Sukella tutkimusaiheisiin 'Dynamiikka ja häviöt supranesteessä lähestyttäessä nollalämpötilarajaa'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

    Siteeraa tätä