Aaltoturbulenssi supravirtaavassa heliumissa nollalämpötilan rajalla

Helium is the only element that retains its liquid form under atmospheric pressure until the absolute zero temperature. At low enough temperatures both stable isotopes of He, namely $^3$He and $^4$He, turn into superfluid form, which has zero viscosity. Most of the work was done in the ROTA group of the Aalto University. ROTA investigates rotating $^3$He superfluids. The rest of the work was done in prof. A. Golov's group in the University of Manchester, and the group investigates rotating superfluid $^4$He. In classical mechanics, turbulence is seen as a large range of eddy current loops with different sizes and strengths. In superfluids, however, turbulence consists of nonlinear interactions between identical quantized whirls, called vortices. If these interactions are dominated by reconnection events between the vortices, the phenomenon is called superfluid turbulence. In this work we are able to create a new type of turbulence, namely wave turbulence, which is not dominated by reconnections but rather by nonlinear interactions between different wave modes in vortices. This thesis concentrates on the experimental, numerical, and theoretical study of energy transportation from length scales of the order of the experimental cell into length scales of the order of intervortex distance. Energy input at larger length scales excites inertial waves, which are collective waves of the whole vortex cluster. The energy then cascades towards smaller length scales, and is then dissipated through the Kelvin wave cascade. Kelvin waves are helical perturbations on a single vortex. We present the experimental observations as well as simulation results, and a phenomenological model for describing the response of the vortex lattice to the introduced oscillating drive. The research work in this thesis made use of the Aalto University Low Temperature Laboratory infrastructure.Helium on ainoa alkuaine, joka normaalipaineessa säilyttää nestemäisen olomuotonsa lämpötilan absoluuttiseen nollapisteeseen saakka. Riittävän matalissa lämpötiloissa molemmat sen stabiileista isotoopeista, 3He ja 4He, käyvät läpi faasitransition supranestetilaan, jonka viskositeetti on nolla. Suurin osa työstä tehtiin Aalto Yliopiston ROTA ryhmässä, jossa tutkitaan 3He supranesteitä pyörityksessä. Loput työstä tehtiin tohtori A. Golovin ryhmässä the University of Manchesterissa, jossa tutkitaan 4He supranestettä pyörityksessä. Klassisessa mekaniikassa turbulenssi nähdään suurena skaalana eri kokoisia ja vahvuisia pyörteitä. Supranesteissä turbulenssi kuitenkin koostuu epälineaarisista vuorovaikutuksista identtisten kvantittuneiden pyörteiden välillä, joita kutsutaan vortekseiksi. Jos nämä vuorovaikutukset määräytyvät pääosin vorteksien välisinä yhdistymisinä, kutsutaan ilmiötä supranesteturbulenssiksi. Tässä työssä luomme uudentyyppistä turbulenssia, aaltoturbulenssia, jota hallitsevat rekonnektioiden sijaan epälineaariset vuorovaikutukset vortekseissa eri aaltomoodien välillä. Tämä opinnäytetyö keskittyy kokeelliseen, numeeriseen ja teoreettiseen tarkasteluun energian siirtymisestä kokeellisen kammion suuruisilta pituusskaaloilta pituusskaaloille, jotka ovat vorteksien välisen etäisyyden suuruusluokkaa. Suuremmilla pituusskaaloilla sisäänsyötetty energia synnyttää inertiaali-, eli hitaita aaltoja, jotka ovat koko vorteksiklusterin kollektiivista aaltoliikettä. Energia välittyy pienempiä pituuskaaloja kohti lopulta häviten systeemistä Kelvin-aalto-kaskadin kautta. Kelvin-aallot ovat helikaalisia häiriöitä yksittäisessä vorteksissa. Esitämme kokeellisia havaintoja, simulaatiotuloksia, sekä fenomenologisen mallin, joka kuvaa vorteksihilan vasteen oskilloivan syötteen alaisena. Tämän opinnäytteen tutkimustyössä käytettiin Aalto Yliopiston Kylmälaboratorion infrastruktuuria