Magnonien Bosen-Einsteinin kondensaatti topologisen supranesteen tutkimuksessa

Petri J. Heikkinen

Tutkimustuotos: Doctoral ThesisCollection of Articles

Abstrakti

Helium pysyy nestemäisenä aina absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Koska kvantti-mekaniikan vaikutus tulee erityisesti esille matalissa lämpötiloissa, on helium ideaalinen aine tutkittaessa kokeellisesti makroskooppisia kvanttimekaanisia ilmiöitä. Kyseisistä ilmiöistä yksi merkittävimmistä on nesteen muutos viskoosittomaksi supranesteeksi. Fermionisen helium-3-isotoopin tapauksessa supranestetransitio tapahtuu alle 0.003 K:n lämpötilassa. Helium-3-supranesteen matalien lämpötilojen B-faasissa sekä massa että magnetisaatio virtaavat häviöttömästi. Tällaiseen spin-supranesteeseen syntyy spontaaneja koherentisti prekessoivia magnetisaatiotiloja ydinmagneettisissa resonanssimittauksissa (NMR). Koherentti prekessio voidaan kuvata joko spin-aaltoeksitaatioiden avulla tai magnon-kvasipartik-kelien Bosen-Einsteinin kondensaationa (BEC). Tässä väitöskirjatyössä synnytämme näitä kvasipartikkelikondensaatteja valitsemaamme paikkaan supranesteen järjestysparametri-tekstuurissa tekstuurin ja magneettikentän energioiden yhteisvaikutuksella. Näyte jäähdytetään ultramataliin lämpötiloihin adiabaattista ydindemagnetointia hyödyntäen. Potentiaalikuoppaan lukitun magnon-kondensaatin synty- ja häviömekanismien tarkka selvittäminen paljastaa epähydrodynaamisen spin-diffuusion pääasialliseksi lämpötilasta riippuvaksi relaksaatiolähteeksi. Tähän pohjaten esitämme magnoneihin perustuvaa mikro-kelvinalueella toimivaa lämpötilan mittausta helium-3-näytteissä. Sekä magnetisaation relaksaatioaika että prekessiotaajuus ovat herkkiä ympäröivän supranesteen ominaisuuksien muutoksille matalimmissakin lämpötiloissa, joissa tavanomaiset NMR-tekniikat menettävät herkkyytensä. Olemmekin käyttäneet magnon-kondensaatteja kvantittuneiden virtauspyörteiden, pinta-aaltojen ja pitkäikäisten tekstuuripoikkeamien havaitsemiseen. Olemme myös mitanneet vapaan supranestepinnan kiihdyttävän magnon-kondensaatin relaksaatiota nollalämpötilarajalla. Syyksi tähän esitämme vapaalle pinnalle sidottuja kvasipartikkelitiloja, jotka oletettavasti ovat Majorana-tiloja helium-3:n topologian perusteella. Monipuolisten ominaisuuksiensa vuoksi helium-3-supraneste toimii kokeellisena malli-systeeminä monille muille fysiikan ilmiöille. Olemme havainneet magnonien ja järjestys-parametrin keskinäisen vuorovaikutuksen, joka johtaa magnonien itselokalisaatioon ja täten muistuttaa kvanttikenttäteorioissa esiintyvää Q-palloa. Olemme myös mitanneet keskinäisen vuorovaikutuksen kolmen matalaenergisen spin-aalto-moodin välillä. Näistä yhdellä on massa spin-orbitaali-vuorovaikutuksen ansiosta, mikä tekee siitä samankaltaisen hiukkasfysiikan standardimallin laajennuksissa esiintyvän kevyen Higgsin hiukkasen kanssa.
Julkaisun otsikon käännösMagnonien Bosen-Einsteinin kondensaatti topologisen supranesteen tutkimuksessa
AlkuperäiskieliEnglanti
PätevyysTohtorintutkinto
Myöntävä instituutio
  • Aalto-yliopisto
Valvoja/neuvonantaja
  • Hakonen, Pertti, Vastuuprofessori
  • Eltsov, Vladimir, Ohjaaja
Kustantaja
Painoksen ISBN978-952-60-6824-4
Sähköinen ISBN978-952-60-6825-1
TilaJulkaistu - 2016
OKM-julkaisutyyppiG5 Tohtorinväitöskirja (artikkeli)

Tutkimusalat

  • supraneste
  • magnon
  • Bosen-Einsteinin kondensaatti
  • spin-diffuusio
  • vapaa pinta
  • pinta-aalto
  • kvantittunut virtauspyörre
  • sidottu Majorana-tila
  • spin-orbitaali-vuorovaikutus
  • lämpötilan mittaus ultramatalissa lämpötiloissa

Sormenjälki

Sukella tutkimusaiheisiin 'Magnonien Bosen-Einsteinin kondensaatti topologisen supranesteen tutkimuksessa'. Ne muodostavat yhdessä ainutlaatuisen sormenjäljen.

Siteeraa tätä