Heat Transfer in Turbulent Rayleigh-Benard Convection below the Ultimate Regime

A Rayleigh-B\'enard cell has been designed to explore the Prandtl (Pr) dependence of turbulent convection in the cross-over range $0.7<Pr<21$ and for the full range of soft and hard turbulences, up to Rayleigh number $Ra\simeq 10^{11}$. The set-up benefits from the favourable characteristics of cryogenic helium-4 in fluid mechanics, in-situ fluid property measurements, and special care on thermometry and calorimetric instrumentation. The cell is cylindrical with $diameter/height=0.5$. The effective heat transfer $Nu(Ra,Pr)$ has been measured with unprecedented accuracy for cryogenic turbulent convection experiments in this range of Rayleigh numbers. Spin-off of this study include improved fits of helium thermodynamics and viscosity properties. Three main results were found. First the $Nu(Ra)$ dependence exhibits a bimodality of the flow with $4-7$ difference in $Nu$ for given $Ra$ and $Pr$. Second, a systematic study of the side-wall influence reveals a measurable effect on the heat transfer. Third, the $Nu(Pr)$ dependence is very small or null : the absolute value of the average logarithmic slope $(dlnNu/dlnPr)_{Ra}$ is smaller than 0.03 in our range of $Pr$, which allows to disciminate between contradictory experiments [Ashkenazi \textit{et al.}, Phys. Rev.Lett. 83:3641 (1999)][Ahlers \textit{et al.}, Phys.Rev.Lett. 86:3320 (2001)].Comment: submitted for publication to JLTP (august 2003

Kondo engineering : from single Kondo impurity to the Kondo lattice

In the first step, experiments on a single cerium or ytterbium Kondo impurity reveal the importance of the Kondo temperature by comparison to other type of couplings like the hyperfine interaction, the crystal field and the intersite coupling. The extension to a lattice is discussed. Emphasis is given on the fact that the occupation number $n_f$ of the trivalent configuration may be the implicit key variable even for the Kondo lattice. Three $(P, H, T)$ phase diagrams are discussed: CeRu$_2$Si$_2$, CeRhIn$_5$ and SmS

Observation of critical slowing down close to a roughening transition

We have measured the times necessary to recover the stable size of a facet of a 4He crystal in a slow growing process, close to the roughening transition of the facet (TR ≅ 215 mK). These times exhibit a critical slowing down from 2 min. far from this transition to 44 min. at a few mK from the transition.Nous avons mesuré le temps de retour à une taille stable d'une facette d'un cristal de 4He en lente croissance, près de la transition rugueuse de cette facette (TR ≅ 215 mK). Les temps observés montrent un ralentissement critique, allant de 2 min. loin de la transition, à 44 min. à quelques mK de celle-ci

Liquid-solid 4He interface: Kapitza resistance

We have measured the Kapitza resistance RK between liquid and solid 4He, from 100 mK to 0.7 K. We show that R K T3 varies linearly with T-2 for a rough interface and the crystalline anisotropy. The surface tension alone cannot explain the results which are interpreted as indicating an interface inertia. For the facets, the classical result is found : RK T3 = constant.Nous avons mesuré la résistance de Kapitza RK entre les phases liquide et solide de 4He, de 100 mK à 0,7 K. Nous mettons en évidence la variation linéaire de RK T3 avec T-2 pour les interfaces rugueuses et l'anisotropie cristalline. L'influence de la tension de surface ne peut seule expliquer les résultats qui sont interprétés comme étant dus à l'inertie de l'interface. Pour les facettes on retrouve le résultat classique RK T3 = Cte

SURFACE MAGNETIC RELAXATION - RELATION TO 3He↑ EXPERIMENTS

Nuclear relaxation at the walls of experimental cells is an important lifetime limitation for polarized liquid 3He. However, maximum spin-lattice relaxation times T1 (i.e. the intrinsic values T1 bulk) can be obtained by diffusion limited relaxation or boundary limited relaxation. We present NMR measurements on liquid 3He in confined geometries, where the latter process is dominant. Coating of the walls by 2.7 layers of 3He enhances T1 and the thermal boundary resistance by almost two orders of magnitude at low temperatures.La durée de vie de 3He↑ peut être limitée par la relaxation magnétique sur les parois des cellules expérimentales. Les valeurs maximales du temps de relaxation spin réseau (T1 intrinsèque) peuvent être obtenues en limitant en surface ou par diffusion la relaxation magnétique. Nous présentons des mesures de RMN sur 3He liquide en géométrie confinée, où la relaxation est limitée en surface. Lorsque les surfaces sont recouvertes par 2.7 couches de 4He, le temps de relaxation T1 et la résistance de Kapitza sont augmentées d'environ deux ordres de grandeur à très basses températures

EXPERIMENTS ON THERMAL PHONON RADIATION INTO QUARTZ SUBSTRATES

Nous présentons les résultats des expériences de mesure de température des films d'or, d'indium et d'étain déposés sur un substrat de quartz coupe Z. Une technique de réflexion d'impulsions électriques comme celle de Herth et Weis a été employée. Dans tous les cas nous trouvons un bon accord entre l'expérience et le modèle théorique de Little. Nous concluons que la théorie de Little s'applique bien aux résistances de contact solide-solide, même quand un des milieux est assez anisotrope.Results are presented for the radiation temperature of gold, indium and tin films deposited on a Z cut quartz substrate. A pulse reflection technique developed by Herth and Weis was used for these experiments. In all cases good agreement is found between experiment and the predictions of Little's model calculated on the basis of averages of the appropriate sound velocities. Convincing support for the validity of the present theory of the solid-solid thermal contact resistance is thus obtained, even for the case where one of the solids is quite anisotropic

PHASE DIAGRAM OF 3He AT MELTING PRESSURES AND HIGH MAGNETIC FIELDS

Nous présentons des mesures de pression sur 3He solide dans une cellule Pomeranchuk prérefroidie à T ~ 3 mk, dans des champs magnétiques jusqu'à 7,2 T. Nous avons mesuré les pressions à l'équilibre des transitions A1 et A2 de 3He superfluide ; nous trouvons une correction négative à la variation linéaire de PA2 - PA1 vs. H, correspondant à l'ordre magnétique de 3He solide. Nous avons obtenu le diagramme de phases P(H) de 3He solide ; le diagramme H(T) à fort champ peut être déduit en employant une thermométrie basée sur les transitions A1, A2. Les résultats du modèle d'échange multiple dans 3He solide sont en bon accord avec nos mesures.We report pressure measurements on melting 3He in a Pomeranchuk cell precooled to temperatures T ~ 3 mk, in magnetic fields up to 7.2 T. The equilibrium pressures of the A1 and A2 phase transitions of superfluid 3He have been measured ; we have found a negative deviation from the linear PA2 - PA1 vs. H splitting, due to the magnetic ordering of solid 33He. We have obtained the magnetic P(H) phase diagram of solid 3He ; the H(T) phase diagram in high fields can be deduced by using a thermometry based on the A1-A2 splitting. Our results are in agreement with the multiple spin exchange model of solid 3He