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

• Thesis title in Czech: Studium disipativních jevů v nanofluidické supratekuté akustice v kvadrupolární geometrii pod teplotou 1 K
• Thesis title in English: Study of dissipative effects in nanofluidic superfluid acoustics in quadrupolar geometry below 1 K
• Key words: supratekuté hélium|nízké teploty|Helmholtzův rezonátor|nanofluidika|disipace
• English key words: superfluid helium|low temperatures|Helmholtz resonator|nanofluidics|dissipation
• Academic year of topic announcement: 2024/2025
• Thesis type: Bachelor's thesis
• Thesis language: angličtina
• Department: Department of Low Temperature Physics (32-KFNT)
• Supervisor: Mgr. Emil Varga, Ph.D.
• Author: Nikita Ustinov - assigned and confirmed by the Study Dept.
• Date of registration: 02.01.2025
• Date of assignment: 02.01.2025
• Confirmed by Study dept. on: 03.01.2025
• Date and time of defence: 09.09.2025 09:00
• Date of electronic submission: 15.07.2025
• Opponents: doc. RNDr. David Schmoranzer, Ph.D.
• Advisors: Mgr. Marek Talíř

Guidelines

Študent navrhne a otestuje kapacitný mostík určený na diferenciálne snímanie akustickej oscilácie tlaku v rezonančnom móde štvrtého zvuku v supratekutom héliu a overí jeho funkčnosť pomocou (pred-pripraveného) nanofluidického akustického rezonátora.

Pomocou merania akustických faktorov kvality pod teplotou 1 K (meranie bude prebiehať na rozpúšťacom refrigerátore), študent určí primány disipatívny mechanizmus ktorý obmedzuje dosiahnuteľné faktory kvality.

Súčasťou práce bude tiež pokus o detekciu rezonančne zosilnených fluktuácií zvuku a diskusia (a návrhy na zlepšenie) vhodnosti akustického rezonátoru podobného typu na detekciu spojitých gravitačných vĺn porovnaním s existujúcimi experimentálnymi prácami.

References

D.R. Tilley, J. Tilley, Superfluidity and Superconductivity, 3rd edn. (Institute of Physics Publishing, Bristol and Philadelphia, 1990)
C. F. Barenghi, L. Skrbek, K. R. Sreenivassan, Quantum Turbulence, OUP 2024
L. Skrbek a kol., Fyzika Nízkých Teplot 1 a 2, Matfzypress, Praha 2011
F. Souris et al., Ultralow-Dissipation Superfluid Micromechanical Resonator, Phys. Rev. Appl. 7, 044008 (2017)
E. Varga and J. P. Davis, Electromechanical feedback control of nanoscale superflow, New J. Phys. 23, 113041 (2021)
V. Vadakkumbatt et al., Prototype superfluid gravitational wave detector, Phys. Rev. D 104, 082001 (2021)
L. A. De Lorenzo, K. C. Schwab, Ultra-High Q Acoustic Resonance in Superfluid 4He, J. Low Temp. Phys 186, 233-240 (2017)

Preliminary scope of work

Supratekuté hélium je fáza tekutého hélia pod približne 2.2 K ktorá je stabilná až do absolútnej nuly. Jednou z najpodstatnejších vlastností tejto tekutiny je možnosť za určitých podmienok tiecť bez straty energie, t.j., bezviskózne. Pri dostatočne nízkych teplotách, dosiahnuteľných napr. pomocou rozpúšťacích refrigerátorov, reziduálne disipačné mechanizmy strácajú na svojej efektivite a uzavreté akustické rezonátory naplnené supratekutým héliom sú schopné dosiahnuť extrémne vysokých faktorov kvality (t.j., pomer energie disipovanej do tepla a uloženej v akustickom pohybe), rádu 108, čo z nich robí extrémne citlivé detektory síl. Kvôli týmto extrémne vysokým faktorom kvality, akustické rezonancie v supratekutom héliu o vhodnej geometrií tvoria prototypy malých detektorov gravitačných vĺn aj určitých modelov tmavej hmoty.