Quantum turbulence in superfluid helium

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Helium at pressures below 25 atm remains liquid at temperatures down to absolute zero, when the number of excitations in the medium and the concentration of the normal component become negligible. This makes it possible to use superfluid helium at low temperatures as a model medium to study the formation and decay of a turbulent system. Describing and modeling the behavior of vortices in superfluid helium at temperatures below 0.1 K, when the amount of the normal component becomes negligible, are greatly simplified due to the quantization of the flow of the superfluid component, and all hydrodynamic properties of helium associated with its rotational motion are determined by quantized vortices. The article reviews experimental methods for the excitation and detection of quantum turbulence presented in experimental studies in recent years, and discusses features of vortex generation by various methods and at different temperatures of the superfluid, the dynamics of change in the concentration of vortices during the generation and decay of the vortex system, and the difference between the behavior of quantized vortices under Kolmogorov turbulence and that under Vinen turbulence.

About the authors

Viktor Borisovich Efimov

Institute of Solid State Physics, Russian Academy of Sciences

Doctor of physico-mathematical sciences, Head Scientist Researcher

References

  1. Ефимов В. Б., УФН, 188 (2018), 1025
  2. Donnelly R. J., Swanson C. E., J. Fluid Mech., 173 (1986), 387
  3. Niemetz M., Kerscher H., Schoepe W., Quantized Vortex Dynamics and Superfluid Turbulence, C. F. Barenghi, R. J. Donnelly, W. F. Vinen, Springer, Berlin, 2001, 87
  4. Tsubota M. (Ed.), Quantum Turbulence, Progress in Low Temperature Physics, 16, Elsevier Science, Amsterdam, 2008
  5. Vinen W. F., Niemela J. J., J. Low Temp. Phys., 128 (2002), 167
  6. Skrbek L., J. Phys. Conf. Ser., 318 (2011), 012004
  7. Barenghi C. F., Skrbek L., Sreenivasan K. R., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111:Suppl. 1 (2014), 4647
  8. Donnelly R. J., Quantized Vortices in Helium II, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1991
  9. Кондаурова Л. П., Андрющенко В. А., Физика низких температур, 47 (2021), 804
  10. Капица П. Л., ДАН СССР, 18:1 (1938), 21
  11. Лифшиц Е. М., УФН, 34 (1948), 512
  12. Ландау Л. Д., ЖЭТФ, 11 (1941), 592
  13. Ландау Л. Д., ЖЭТФ, 14 (1944), 112
  14. Craig P. P., Pellam J. R., Phys. Rev., 108 (1957), 1109
  15. Allen J. F., Misener A. D., Proc. R. Soc. A, 172 (1939), 467
  16. Atkins K. R., Adv. Phys., 1 (1952), 169
  17. Nemirovskii S. K., Phys. Rep., 524 (2013), 85
  18. Barenghi C. F., Donnelly R. J., Vinen W. F., J. Low Temp. Phys., 52 (1983), 189
  19. Finne A. P. et al., Rep. Prog. Phys., 69 (2006), 3157
  20. Vinen W. F., Proc. R. Soc. A, 260 (1961), 218
  21. Whitmore S. C., Zimmermann W., Phys. Rev. Lett., 15 (1965), 389
  22. Rayfield G. W., Reif F., Phys. Rev., 136 (1964), A1194
  23. Gamota G., J. Phys. Colloq., 31 (1970), C3–39
  24. Barenghi C. F. et al., Phys. Fluids, 9 (1997), 2631
  25. Koplik J., Levine H., Phys. Rev. Lett., 71 (1993), 1375
  26. Vinen W. F., Skrbeck L., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111:Suppl. 1 (2014), 4699
  27. Zurek W. H., Nature, 317 (1985), 505
  28. Copeland E. J., Kibble T. W. B., Steer D. A., Phys. Rev. D, 58 (1998), 043508
  29. Kibble W. B., J. Phys. A, 9 (1976), 1387
  30. Efimov V. B. et al., Phys. Rev. E, 74 (2006), 056305
  31. Tilley D. R., Tilley J., Superfluidity and Superconductivity, Wiley, New York, 1974
  32. Ткаченко В. К., ЖЭТФ, 49 (1965), 1875
  33. Ткаченко В. К., ЖЭТФ, 50 (1966), 1573
  34. Ткаченко В. К., ЖЭТФ, 56 (1969), 1763
  35. Цакадзе С. Дж., ФНТ, 4:2 (1978), 148
  36. Gordon M. J. V., Williams G. A., Packard R. E., J. Phys. Colloq., 39 (1978), C6–17
  37. Yarmchuk E. J., Gordon M. J. V., Packard R. E., Phys. Rev. Lett., 43 (1979), 214
  38. Walmsley P. M. et al., Phys. Rev. Lett., 99 (2007), 265302
  39. Tsubota M. et al., Phys. Rev. B, 69 (2004), 134515
  40. Smith M. R. et al., Phys. Rev. Lett., 71 (1993), 2583
  41. Stalp S. R., Skrbek L., Donnelly R. J., Phys. Rev. Lett., 82 (1999), 4831
  42. Skrbek L., Niemela J. J., Donnelly R. J., Phys. Rev. Lett., 85 (2000), 2973
  43. Maurer J., Tabeling P., Europhys. Lett., 43 (1998), 29
  44. Volovik G. E., Письма в ЖЭТФ, 78 (2003), 1021
  45. Hall H. E., Liquid Helium, Proc. of the Intern. School of Physics “Enrico Fermi”, Course XXI, Ed. G. Carreri, Academic Press, New York, 1963
  46. Sonin E. B., Rev. Mod. Phys., 59 (1987), 87
  47. Volovik G. E., J. Low Temp. Phys., 136 (2004), 309
  48. Skrbek L., Письма в ЖЭТФ, 80 (2003), 541
  49. Baehr M. L., Opatowsky L. B., Tough J. T., Phys. Rev. Lett., 51 (1983), 2295
  50. Ladner D. R., Childers R. K., Tough J. T., Phys. Rev. B, 13 (1976), 2918
  51. Chase C. E., Phys. Rev., 127 (1962), 361
  52. Salort J. et al., J. Phys. Conf. Ser., 318 (2011), 042014
  53. Donnelly R. J., Barenghi C. F., J. Phys. Chem. Ref. Data, 27 (1998), 1217
  54. Baggaley A. W. et al., Phys. Rev. B, 86 (2012), 104501
  55. Walmsley P. M., Golov A. I., Phys. Rev. Lett., 100 (2008), 245301
  56. Skrbek L., Sreenivasan K. R., Ten Chapters in Turbulence, P. A. Davidson, Y. Kaneda, K. R. Sreenivasan, Cambridge Univ. Press, New York, 2013
  57. Vinen W. F., Proc. R. Soc. Lond. A, 240 (1957), 114
  58. Baggaley A. W., Barenghi C. F., Sergeev Y. A., Phys. Rev. B, 85 (2012), 060501
  59. Finne A. P. et al., Nature, 424 (2003), 1022
  60. Vinen W. F., Proc. R. Soc. Lond. A, 240 (1957), 128
  61. Vinen W. F., Proc. R. Soc. Lond. A, 242 (1957), 493
  62. Vinen W. F., Proc. R. Soc. Lond. A, 243 (1958), 400
  63. Hall H. E., Vinen W. F., Proc. R. Soc. Lond. A, 238 (1956), 215
  64. Монин А. С., Яглом А. М., Статистическая гидромеханика, т. 2, Наука, М., 1967
  65. Garg D. et al., Phys. Rev. B, 85 (2012), 144518
  66. Donnelly R. J., Phys. Today, 62:10 (2009), 34
  67. Efimov V. B. et al., J. Low Temp. Phys., 156 (2009), 95
  68. Ganshin A. N. et al., New J. Phys., 12 (2010), 083047
  69. Snyder H. A., Putney Z., Phys. Rev., 150 (1966), 110
  70. Mathieu P., Placais B., Simon Y., Phys. Rev. B, 29 (1984), 2489
  71. Giltrow M. et al., Meas. Sci. Technol., 14 (2003), N69
  72. Varga E. et al., J. Low Temp. Phys., 197:3/4 (2019), 130
  73. Jackson M. J., J. Low Temp. Phys., 183 (2016), 208
  74. Ferrell R. A., Phys. Rev., 108 (1957), 167
  75. Atkins K. R., Phys. Rev., 116 (1959), 1339
  76. Marakov A. et al., Phys. Rev. B, 91 (2015), 094503
  77. Gao J. et al., Письма в ЖЭТФ, 103 (2016), 732
  78. Chase C. E., Phys. Rev., 131 (1963), 1898
  79. Arp V., Cryogenics, 10 (1970), 96
  80. Gorter C. J., Mellink J. H., Physica, 15 (1949), 285
  81. Schwarz K. W., Phys. Rev. B, 18 (1978), 245
  82. Van Sciver S. W., Cryogenics, 18 (1978), 521
  83. Brewer D. F., Edwards D. O., Philos. Mag., 7 (1962), 721
  84. Изнанкин А. Ю., Межов-Деглин Л. П., ЖЭТФ, 103 (2016), 732
  85. Efimov V. B. et al., Физика низких температур, 24 (1998), 116
  86. Nemirovskii S. K., Tsoi A. N., Cryogenics, 29 (1989), 985
  87. Hall H. E., Adv. Phys., 9 (1960), 89
  88. Kondaurova L., Efimov V., Tsoi A., J. Low Temp. Phys., 187 (2017), 80
  89. Цой А. Н., Луцет М. О., Инженерно-физический журн., 51:1 (1985), 5
  90. Пешков В. П., Ткаченко В. К., ЖЭТФ, 41 (1961), 1427
  91. Awschalom D. D., Milliken F. P., Schwarz K. W., Phys. Rev. Lett., 53 (1984), 1372
  92. Tough J. T., Progress in Low Temperature Physics, v. 8, Ed. D. F. Brewer, North-Holland, Amsterdam, 1982, 133
  93. Brewer D. F., Edwards D. O., Philos. Mag., 6 (1961), 1173
  94. Adachi H., Fyjiyama S., Tsubota M., Phys. Rev. B, 81 (2010), 104511
  95. Melotte D. J., Barenghi C. F., Phys. Rev. Lett., 80 (1998), 4181
  96. Chagovets T. V., Skrbek L., Phys. Rev. Lett., 100 (2008), 215302
  97. Skrbek L., Vinen W. F., Quantum Turbulence, Progress in Low Temperature Physics, 16, M. Tsubota, W. P. Halperin, Elsevier, Amsterdam, 2009, 195
  98. Vinen W. F., Skrbek L., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111:Suppl. 1 (2014), 4699
  99. Tatsuno M., Bearman P., J. Fluid Mech., 211 (1990), 157
  100. Uzunoǧlu B., Tan M., Price W. G., Int. J. Numer. Meth. Eng., 50 (2001), 2317
  101. Batchelor G. K., An Introduction to Fluid Dynamics, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1967
  102. Smith M. R. et al., Phys. Rev. Lett., 71 (1993), 2583
  103. Yang J., Ihas G. G., J. Phys. Conf. Ser., 969 (2018), 012004
  104. Stalp S. R. et al., Phys. Fluids, 14 (2002), 1377
  105. Niemela J. J., Sreenivasan K. R., Donnelly R. J., J. Low Temp. Phys., 138 (2005), 537
  106. Rusaouen E. et al., Phys. Fluids, 29 (2017), 105108
  107. Nichol H. A. et al., Phys. Rev. E, 70 (2004), 056307
  108. Vinen W. F., Skrbek L., Nichol H. A., J. Low Temp. Phys., 135 (2004), 423
  109. Nichol H. A., PhD Thesis, Lancaster Univ., Lancaster, 2003
  110. Charalambous D. et al., Phys. Rev. E, 74 (2006), 036307
  111. Efimov V. B. et al., J. Low Temp. Phys., 158 (2010), 462
  112. Jäger J., Schuderer B., Schoepe W., Phys. Rev. Lett., 74 (1995), 566
  113. Schoepe W., Phys. Rev. Lett., 92 (2004), 095301
  114. Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 161 (2010), 526
  115. Niemetz M., Kerscher H., Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 126 (2002), 287
  116. Blaauwgeers R. et al., J. Low Temp. Phys., 146 (2007), 537
  117. Fisher S. N. et al., Phys. Rev. Lett., 86 (2001), 244
  118. Nago Y. et al., Phys. Rev. B, 82 (2010), 224511
  119. Yano H. et al., J. Low Temp. Phys., 187 (2017), 515
  120. Gonzalez M. et al., Rev. Sci. Instrum., 84 (2013), 025003
  121. Guenault A. M. et al., Phys. Rev. B, 100 (2019), 020506
  122. Barquist C. S. et al., J. Low Temp. Phys., 183 (2016), 307
  123. Zheng P. et al., J. Low Temp. Phys., 183 (2016), 313
  124. Barquist C. S. et al., J. Low Temp. Phys., 201 (2020), 4
  125. Koester D. et al., PolyMUMPs Design Handbook, MEMSCAP, Durham, NC, 2005
  126. Guthrie A. et al., Nat. Commun., 12 (2021), 2645
  127. Guenault A. M. at al., Phys. Rev. B, 101 (2020), 060503
  128. Ahlstrom S. L. et al., Phys. Rev. B, 89 (2014), 014515
  129. Bradley D. I. et al., Phys. Rev. B, 85 (2012), 014501
  130. Шешин Г. и др., Физика низких температур, 39 (2013), 1062
  131. Schmoranzer D. et al., J. Low Temp. Phys., 163 (2011), 317
  132. Bradley D. I. et al., J. Low Temp. Phys., 156 (2009), 116
  133. Yano H. et al., AIP Conf. Proc., 850 (2006), 195
  134. Luzuriaga J., J. Low Temp. Phys., 138 (1997), 267
  135. Bradley D. I. et al., Phys. Rev. Lett., 96 (2006), 035301
  136. Vinen W. F., J. Low Temp. Phys., 145 (2006), 7
  137. L'vov V., Nazarenko S., Skrbek L., J. Low Temp. Phys., 145 (2006), 125
  138. Kozik E. V., Svistunov B. V., J. Low. Temp. Phys., 156 (2009), 215
  139. Bradley D. I. et al., Phys. Rev. Lett., 101 (2008), 065302
  140. Roche P.-E. et al., Europhys. Lett., 77 (2007), 66002
  141. Sasa N. et al., Phys. Rev. B, 84 (2011), 054525
  142. Baggaley A. W., Laurie J., Barenghi C. F., Phys. Rev. Lett., 109 (2012), 205304
  143. Kotsubo V., Swift G. W., Phys. Rev. Lett., 62 (1989), 2604
  144. Kotsubo V., Swift G. W., J. Low Temp. Phys., 78 (1990), 351
  145. Hänninen R., Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 164 (2011), 1
  146. Hänninen R., Schoepe W.
  147. Hänninen R., Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 153 (2008), 189
  148. Hänninen R., Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 158 (2010), 410
  149. Vinen W. F., Phys. Rev. B, 61 (2000), 1410
  150. Tsubota M., Araki T., Nemirovskii S. K., Phys. Rev. B, 62 (2000), 11751
  151. Paoletti M. S. et al., J. Phys. Soc. Jpn., 77 (2008), 111007
  152. Meichle D. P., Lathrop D. P., Rev. Sci. Instrum., 85 (2014), 073705
  153. Bewley G. P., Sreenivasan K. R., Lathrop D. P., Exp. Fluids, 44 (2008), 887
  154. Fonda E. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 111:Suppl. 1 (2014), 4707
  155. Fonda E., Sreenivasan K. R., Lathrop D. P., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116 (2019), 1924
  156. Howe M. S., Acoustics of Fluid-Structure Interactions, Cambridge Univ. Press, Cambridge, 1998
  157. Vinen W. F., Phys. Rev. B, 64 (2001), 134520
  158. L'vov V. S., Nazarenko S. V., Rydenko O., Phys. Rev. B, 76 (2007), 024520
  159. Niemetz M., Schoepe W., J. Low Temp. Phys., 135 (2004), 447
  160. Bradley D. I. et al., J. Low Temp. Phys., 138 (2005), 493
  161. Blažkova M., Schmoranzer D., Skrbek L., Phys. Rev. E, 75 (2007), 025302
  162. Hashimoto N. et al., Phys. Rev. B, 76 (2007), 020504
  163. Yano H. et al., J. Low Temp. Phys., 150 (2008), 410
  164. Garg D., Experimental investigation of quantized vortices using grid and quartz tuning forks in superfluid helium-4 in the zero temperature limit, PhD Thesis, Depart. of Physics, Lancaster Univ., Lancaster, 2010
  165. Blažkova M. et al., J. Low Temp. Phys., 148 (2007), 305
  166. Schoepe W., Hänninen R., Niemetz M., J. Low Temp. Phys., 178 (2015), 383
  167. Hänninen R., Tsubota M., Vinen W. F., Phys. Rev. B, 75 (2007), 064502
  168. Hall H., Phil. Trans. R. Soc., 250 (1957), 359
  169. Кондаурова Л. П., Немировский С. К., Физика низких температур, 37 (2011), 523
  170. Kondaurova L., Nemirovskii S. K., Phys. Rev. B, 86 (2012), 134506
  171. Schwarz K. W., Phys. Rev. B, 38 (1988), 2398
  172. Nakatsuji A., Tsubota M., Yano H., J. Low Temp. Phys., 171 (2013), 519
  173. Barenghi C. F., Hänninen R., Tsubota M., Phys. Rev. E, 74 (2006), 046303
  174. Nemirovskii S. K., Phys. Rev. B, 81 (2010), 064512
  175. Попов В. Н., ЖЭТФ, 64 (1973), 672
  176. Thouless D. J., Anglin J. R., Phys. Rev. Lett., 99 (2007), 105301
  177. Duan J.-M., Phys. Rev. B, 49 (1994), 12381
  178. Nago Y. et al., J. Low Temp. Phys., 158 (2010), 443
  179. Yano H. et al., Phys. Rev. B, 81 (2010), 220507
  180. Kubo H. et al., J. Low Temp. Phys., 171 (2013), 466
  181. Yano H. et al., J. Low Temp. Phys., 156 (2009), 132
  182. Garg D. et al., Физика низких температур, 38 (2012), 1300
  183. Nago Y. et al., Phys. Rev. B, 87 (2013), 024511
  184. Guthrie A. et al.
  185. Bewley G. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 105 (2008), 13707
  186. Galantucci L. et al., Proc. Natl. Acad. Sci. USA, 116 (2019), 12204
  187. Bewley G. P., Cryogenics, 49 (2009), 549
  188. Bewley G. P., Sreenivasan K. R., J. Low Temp. Phys., 156 (2009), 84
  189. Nago Y. et al., J. Low Temp. Phys., 162 (2011), 322
  190. Nakagawa T. et al., Phys. Rev. B, 101 (2020), 184515
  191. Bao M., Analysis and Design Principles of MEMS Devices, Elsevier Science, Amsterdam, 2005
  192. Guthrie A. et al., Appl. Phys. Lett., 115 (2019), 113103
  193. Hendry P. C., McClintock P. V. E., Cryogenics, 27 (1987), 131

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Согласие на обработку персональных данных

 

Используя сайт https://journals.rcsi.science, я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных») даю согласие на обработку персональных данных на этом сайте (текст Согласия) и на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика» (текст Согласия).