Measurements of quantum turbulence in spherically symmetric counterflow

• Název práce v češtině: Měření kvantové turbulence ve sféricky symetrickém protiproudu
• Název v anglickém jazyce: Measurements of quantum turbulence in spherically symmetric counterflow
• Klíčová slova: supratekuté hélium|kvantová turbulence|tepelný protiproud|sférická symetrie
• Klíčová slova anglicky: superfluid helium|quantum turbulence|thermal counterflow|spherical symmetry
• Akademický rok vypsání: 2021/2022
• Typ práce: diplomová práce
• Jazyk práce: angličtina
• Ústav: Katedra fyziky nízkých teplot (32-KFNT)
• Vedoucí / školitel: doc. RNDr. David Schmoranzer, Ph.D.
• Řešitel: skrytý - zadáno a potvrzeno stud. odd.
• Datum přihlášení: 22.03.2022
• Datum zadání: 22.03.2022
• Datum potvrzení stud. oddělením: 05.04.2022
• Datum a čas obhajoby: 09.06.2022 09:00
• Datum odevzdání elektronické podoby: 29.04.2022
• Datum odevzdání tištěné podoby: 29.04.2022
• Datum proběhlé obhajoby: 09.06.2022
• Oponenti: RNDr. Daniel Duda, Ph.D.
• Konzultanti: Zhuolin Xie, Ph.D.

Zásady pro vypracování

V rámci této práci student navrhne novou aparaturu pro měření kvantové turbulence v supratekutém héliu (izotop 4He) v oboru teplot mezi 1,3 K a 2,17 K ve sféricky symetrickém proudění buzeném bodovým tepelným zdrojem. Pomocí již zavedené techniky tlumení druhého zvuku bude měřena hustota kvantovaných vírů v daném proudění s využitím několika různých rezonančních módů ve sférické cele. V tomto poměrně technologicky náročném experimentu bude klíčovám prvkem experimentální cely malé odporové topení ("bodový" zdroj tepla), které musí dobře splňovat podmínku rovnoměrného ohřevu celého svého sférického povrchu. Při konstrukci a odlaďování vlastností jednotlivých prvků experimentu se prakticky seznámí jak s návrhem nízkoteplotních aparatur, a s detailním popisem proudění supratekutého hélia, tak i s počítačovým řízením experimentu včetně zpětnovazebních algoritmů, což bude realizováno ve vývojovém prostředí LabVIEW nebo v Pythonu.

Po důsledním ověření funkčnosti aparatury a vlastností bodového topení budou probíhat systematická měření v supratekutém héliu ve zmíněném oboru teplot. V první fázi budou proměřeny vlastnosti ustáleného stavu turbulentního proudění, jako je prostorové rozložení hustoty kvantovaných vírů a teplotní profil v cele. Ve druhém kroku přistoupíme k časově rozlišenému měření rozpadu kvantové turbulence. Po teoretické stránce budou tvořit náplň práce vybrané partie klasické dynamiky tekutin a dvousložkový model supratekutého hélia. Proudění v cele bude popsáno za předpokladu dokonalé sférické symetrie pomocí upravených HVBK (Hall-Vinen-Bekarevich-Chalatnikov) rovnic.

Seznam odborné literatury

L.D. Landau, E.M. Lifshitz: Fluid dynamics, Pergamon Press, 1987.
L.M. Milne-Thomson: Theoretical hydrodynamics,Dover Publications, 1996.
R.J.Donnelly: Quantized vortices in helium II, Cambridge University Press, 1991.
Progress in Low Temperature Physics, edited by W.P. Halperin, M. Tsubota, Elsevier, 2009.
L. Skrbek a kol., Fyzika nízkých teplot, Matfyzpress, 2011.

E. Varga, Peculiarities of Spherically Symmetric Counterflow, J. Low Temp. Phys. 196 (1/2), 28-34, 2019.
E. Varga, L. Skrbek, Thermal counterflow of superfluid He-4: Temperature gradient in the bulk and in the vicinity of the heater, Phys. Rev. B 100, 054518, 2019.
E. Varga, L. Skrbek, Dynamics of the density of quantized vortex lines in counterflow turbulence: Experimental investigation, Phys. Rev. B 97, 064507, 2018.
S. Inui, M. Tsubota, Spherically symmetric formation of localized vortex tangle around a heat source in superfluid 4He, Phys. Rev. B 101, 214511, 2020.
Y. A. Sergeev, C. F. Barenghi, Turbulent radial thermal counterflow in the framework of the HVBK model. EPL 128(2):26001, 2019.