Fermi-nesteeseen upotettujen kappaleiden liikkeestä

Monen vuorovaikuttavan kappaleen ongelmat ovat keskeisessä asemassa useimmilla fysiikan aloilla. Kiinteän aineen fysiikassa mielenkiinto kohdistuu lähinnä systeemeihin, joissa hiukkasten lukumäärä on Avogadron luvun suuruusluokkaa, ~10^23. Vaikka tällaisten systeemien tarkka mallintaminen on yleisesti mahdotonta, tulee siitä tietyissä olosuhteissa mahdollista. Eräs tällainen tapaus ovat Fermi-nesteet. Riittävän matalissa lämpötiloissa voidaan vuorovaikuttavista fermioneista koostuvaa systeemiä mallintaessa keskittyä itse hiukkasten sijasta koko systeemin kollektiivisiin viritystiloihin. Näitä viritystiloja kutsutaan kvasihiukkasiksi, sillä ne käyttäytyvät kuten heikosti vuorovaikuttavat hiukkaset. Käytännössä Fermi-nesteitä ovat metallien johtavuuselektronit ja nestemäinen helium-3.

Väitöstutkimuksessa tarkastellaan kahta ilmiötä, jotka liittyvät kappaleiden liikkeeseen Fermi-nesteessä. Ensimmäinen tutkimuskohde on poikittaisten ääniaaltojen eteneminen ohuen normaalitilaisen Fermi-nestekerroksen läpi. Fermi-nesteteoria ennustaa ainutlaatuisten äänimoodien olemassaolon, jotka etenevät olosuhteissa, joissa tavanomainen ääni ei voi edetä. Tutkimalla näitä ääniaaltoja saadaan tietoa kvasihiukkasten välisistä vuorovaikutuksista.

Toinen tutkittava ilmiö koskee liikettä Fermi-supranesteessä. Yleisesti ajatellaan, että kun supranesteessä liikkuvan kappaleen nopeus ylittää nesteelle ominaisen kriittisen nopeuden, kappaleeseen kohdistuva vastusvoima kasvaa äkillisesti. Kokeellisesti on havaittu, että mikäli helium-3 -supranesteessä liikutetaan ohutta lankaa tasaisella nopeudella, tätä vastusvoiman äkillistä kasvua ei havaita. Tutkimme mekanismeja, jotka voisivat selittää tämän ilmiön.