Advertisement

Journal of Low Temperature Physics

, Volume 154, Issue 3–4, pp 97–116 | Cite as

The Transition to Turbulent Drag for a Cylinder Oscillating in Superfluid 4He: A Comparison of Quantum and Classical Behavior

  • D. I. Bradley
  • S. N. Fisher
  • A. M. Guénault
  • R. P. Haley
  • V. Tsepelin
  • G. R. Pickett
  • K. L. Zaki
Article

Abstract

We have measured the drag and inertial forces on wire resonators in superfluid 4He at millikelvin temperatures. At low velocities the behavior is dominated by the intrinsic properties of the resonators which can be measured in vacuum. On increasing velocity we see a sharp transition corresponding to the sudden appearance of drag and inertial forces arising from quantum vortex lines in the superfluid. We present detailed measurements of the superfluid drag and inertial forces as a function of the resonator velocity. We discuss results for two different wire diameters and for different resonant frequencies. We compare and contrast the observed behavior with that measured for cylinders in oscillating classical fluids.

Keywords

Superfluid Turbulence Critical velocity 

PACS

67.25.dk 67.25.dg 47.27.Cn 

Preview

Unable to display preview. Download preview PDF.

Unable to display preview. Download preview PDF.

References

  1. 1.
    W.F. Vinen, R.J. Donnelly, Phys. Today 60(4), 43 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  2. 2.
    R.J. Donnelly, Quantized Vortices in Helium II (Cambridge University Press, Cambridge, 1991) Google Scholar
  3. 3.
    W.F. Vinen, Phys. Rev. B 61, 1410 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  4. 4.
    W.F. Vinen, J.J. Niemela, J. Low Temp. Phys. 128, 167 (2002) CrossRefGoogle Scholar
  5. 5.
    M. Tsubota, W.P. Halperin (eds.), Progress in Low Temperature Physics. Quantum Turbulence, vol. 16 (Elsevier, Amsterdam, 2009) Google Scholar
  6. 6.
    W.F. Vinen, Proc. R. Soc. A 240, 114, 128 (1957) CrossRefADSGoogle Scholar
  7. 7.
    P.M. Walmsley, A.A. Levchenko, A.I. Golov, J. Low Temp. Phys. 145, 143 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  8. 8.
    P.M. Walmsley, A.I. Golov, H.E. Hall, A.A. Levchenko, W.F. Vinen, Phys. Rev. Lett. 99, 265302 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  9. 9.
    S.N. Fisher, A.M. Guénault, A.J. Hale, G.R. Pickett, J. Low Temp. Phys. 121, 393 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  10. 10.
    S.N. Fisher, A.J. Hale, A.M. Guénault, G.R. Pickett, Phys. Rev. Lett. 86, 244 (2001) CrossRefGoogle Scholar
  11. 11.
    A.P. Finne, T. Araki, R. Blaauwgeers, V.B. Eltsov, N.B. Kopnin, M. Krusius, L. Skrbek, M. Tsubota, G.E. Volovik, Nature 424, 1022 (2003) CrossRefGoogle Scholar
  12. 12.
    D.I. Bradley, S.N. Fisher, A.M. Guénault, M.R. Lowe, G.R. Pickett, A. Rahm, R.C.V. Whitehead, Phys. Rev. Lett. 93, 235302 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  13. 13.
    C.F. Barenghi, Y.A. Sergeev, N. Suramlishvili, Phys. Rev. B 77, 104512 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  14. 14.
    M. Blažková, M. Človečko, V.B. Eltsov, E. Gažo, R. de Graaf, J.J. Hosio, M. Krusius, D. Schmoranzer, W. Schoepe, L. Skrbek, P. Skyba, R.E. Solntsev, W.F. Vinen, J. Low Temp. Phys. 150, 525 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  15. 15.
    D.I. Bradley, D.O. Clubb, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, C.J. Matthews, G.R. Pickett, K.L. Zaki, J. Low Temp. Phys. 138, 493 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  16. 16.
    H. Yano, A. Handa, H. Nakagawa, K. Obara, O. Ishikawa, T. Hata, M. Nakagawa, J. Low Temp. Phys. 138, 561 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  17. 17.
    H. Yano, N. Hashimoto, A. Handa, M. Nakagawa, K. Obara, O. Ishikawa, T. Hata, Phys. Rev. B 75, 012502 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  18. 18.
    N. Hashimoto, R. Goto, H. Yano, K. Obara, O. Ishikawa, T. Hata, Phys. Rev. B 76, 020504 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  19. 19.
    R. Goto, S. Fujiyama, H. Yano, Y. Nago, N. Hashimoto, K. Obara, O. Ishikawa, M. Tsubota, T. Hata, Phys. Rev. Lett. 100, 045301 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  20. 20.
    S.I. Davis, P.C. Hendry, P.V.E. McClintock, Physica B 280, 43 (2000) CrossRefGoogle Scholar
  21. 21.
    D.I. Bradley, D.O. Clubb, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, C.J. Matthews, G.R. Pickett, J. Low Temp. Phys. 134, 381 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  22. 22.
    H.A. Nichol, L. Skrbek, P.C. Hendry, P.V.E. McClintock, Phys. Rev. Lett. 92, 244501 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  23. 23.
    D.I. Bradley, D.O. Clubb, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, C.J. Matthews, G.R. Pickett, V. Tsepelin, K. Zaki, Phys. Rev. Lett. 95, 035302 (2005) CrossRefGoogle Scholar
  24. 24.
    D.I. Bradley, D.O. Clubb, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, C.J. Matthews, G.R. Pickett, V. Tsepelin, K. Zaki, Phys. Rev. Lett. 96, 035301 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  25. 25.
    D.I. Bradley, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, M. Holmes, S. O’Sullivan, G.R. Pickett, V. Tsepelin, J. Low Temp. Phys. 150, 364 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  26. 26.
    J. Jäger, B. Schuderer, W. Schoepe, Phys. Rev. Lett. 74, 566 (1995) CrossRefGoogle Scholar
  27. 27.
    W. Schoepe, Phys. Rev. Lett. 92, 095301 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  28. 28.
    R. Hänninen, M. Tsubota, W.F. Vinen, Phys. Rev. B 75, 064502 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  29. 29.
    T. Sarpkaya, J. Fluid Mech. 165, 61 (1986) CrossRefADSGoogle Scholar
  30. 30.
    E.D. Obasaju, P.W. Bearman, J.M.R. Graham, J. Fluid Mech. 196, 467 (1988) CrossRefADSGoogle Scholar
  31. 31.
    C.H.K. Williamson, J. Fluid Mech. 155, 141 (1985) CrossRefADSGoogle Scholar
  32. 32.
    M. Tatsuno, P.W. Bearman, J. Fluid Mech. 211, 157 (1990) CrossRefADSGoogle Scholar
  33. 33.
    G.P. Bewley, D.P. Lathrop, K.R. Sreenivasan, Nature 441, 588 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  34. 34.
    S.W. Van Sciver, S. Fuzier, T. Xu, J. Low Temp. Phys. 148, 225 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  35. 35.
    M.S. Paoletti, M.E. Fisher, K.R. Sreenivasan, D.P. Lathrop, Phys. Rev. Lett. 101, 154501 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  36. 36.
    J. Maurer, P. Tabeling, Europhys. Lett. 43, 29 (1998) CrossRefGoogle Scholar
  37. 37.
    P.E. Roche, P. Diribarne, T. Didelot, O. Francais, L. Rousseau, H. Willaime, Europhys. Lett. 77, 66002 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  38. 38.
    P.E. Roche, C.F. Barenghi, Europhys. Lett. 81, 36002 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  39. 39.
    D.I. Bradley, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, S. O’Sullivan, G.R. Pickett, V. Tsepelin, Phys. Rev. Lett. 101, 065302 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  40. 40.
    J.R. Morison, M.P. O’Brien, J.W. Johnson, S.A. Schaaf, Trans Am. Inst. Min. Metall. Eng. 189, 149 (1950) Google Scholar
  41. 41.
    P. Hall, J. Fluid Mech. 146, 347 (1984) zbMATHCrossRefADSGoogle Scholar
  42. 42.
    Yu.M. Bunkov, A.M. Guénault, D. Hayward, D.A. Jackson, C.J. Kennedy, T. Nichols, I.E. Miller, G.R. Pickett, M.G. Ward, J. Low Temp. Phys. 83, 257 (1991) CrossRefADSGoogle Scholar
  43. 43.
    S.N. Fisher, A.M. Guénault, C.J. Kennedy, G.R. Pickett, Phys. Rev. Lett. 67, 1270 (1991) CrossRefADSGoogle Scholar
  44. 44.
    S.N. Fisher, A.M. Guénault, C.J. Kennedy, G.R. Pickett, Phys. Rev. Lett. 69, 1073 (1992) CrossRefADSGoogle Scholar
  45. 45.
    S.N. Fisher, A.M. Guénault, C.J. Kennedy, G.R. Pickett, Phys. Rev. Lett. 63, 2566 (1989) CrossRefADSGoogle Scholar
  46. 46.
    S.N. Fisher, G.R. Pickett, R.J. Watts-Tobin, J. Low Temp. Phys. 83, 225 (1991) CrossRefADSGoogle Scholar
  47. 47.
    M.P. Enrico, S.N. Fisher, R.J. Watts-Tobin, J. Low Temp. Phys. 98, 81 (1995) CrossRefGoogle Scholar
  48. 48.
    M.P. Enrico, S.N. Fisher, A.M. Guénault, G.R. Pickett, K. Torizuka, Phys. Rev. Lett. 70, 1846 (1993) CrossRefGoogle Scholar
  49. 49.
    L. Skrbek, W.F. Vinen, in Progress in Low Temperature Physics, ed. by M. Tsubota, W.P. Halperin. Quantum Turbulence, vol. 16 (Elsevier, Amsterdam, 2009) Google Scholar
  50. 50.
    R. Hänninen, W. Schoepe, J. Low Temp. Phys. 153, 189 (2008) CrossRefGoogle Scholar
  51. 51.
    G.G. Stokes, Trans. Camb. Philos. Soc. 9, 8 (1852) Google Scholar
  52. 52.
    H. Honji, J. Fluid Mech. 107, 509 (1981) CrossRefADSGoogle Scholar
  53. 53.
    D.I. Bradley, M. Fear, S.N. Fisher, A.M. Guénault, R.P. Haley, C. Lawson, G.R. Pickett, R. Schanen, V. Tsepelin, L.A. Wheatland (to be published) Google Scholar
  54. 54.
    W.I. Glaberson, R.J. Donnelly, Phys. Rev. 141, 208 (1966) CrossRefADSGoogle Scholar
  55. 55.
    R. Hänninen, A. Mitani, M. Tsubota, AIP Conf. Proc. 850, 217 (2006) CrossRefGoogle Scholar
  56. 56.
    N.B. Kopnin, Phys. Rev. Lett. 92, 135301 (2004) CrossRefGoogle Scholar
  57. 57.
    M. Blažková, D. Schmoranzer, L. Skrbek, Phys. Rev. E 75, 025302 (2007) CrossRefGoogle Scholar
  58. 58.
    S.R. Stalp, J.J. Niemela, W.F. Vinen, R.J. Donnelly, Phys. Fluids 14, 1377 (2002) CrossRefGoogle Scholar

Copyright information

© Springer Science+Business Media, LLC 2009

Authors and Affiliations

  • D. I. Bradley
    • 1
  • S. N. Fisher
    • 1
  • A. M. Guénault
    • 1
  • R. P. Haley
    • 1
  • V. Tsepelin
    • 1
  • G. R. Pickett
    • 1
  • K. L. Zaki
    • 1
  1. 1.Department of PhysicsLancaster UniversityLancasterUK

Personalised recommendations