27. Сверхпроводимость. Эффект Мейснера.

Сверхпроводимость — свойство некоторых материалов обладать строго нулевым электрическим сопротивлением при достижении ими температуры ниже определённого значения (критическая температура). Так же сверхпроводимость зависит от внешнего магнитного поля и от плотности, пропускаемого через сверхпроводник, тока.

Явление сверхпроводимости было открыто в 1911 году голландским физиком и инженером Камерлинг-Оннесом. Помещая в криостат различные вещества и измеряя зависимость сопротивления от температуры Камерлинг-Оннес обнаружил, что у некоторых металлов при определенной температуре сопротивление довольно резко обращается в ноль.

Взаимодействие электрон-ионы (электрон-фононное взаимодействие) всегда приводит к образованию коррелированного состояния пары электронов, получившего название куперовской пары. Поскольку спин у каждой пары равен нулю, пары приближенно можно считать бозонами.

Теория сверхпроводимости (теория БКШ). Согласно этой теории, возникновение незатухающего тока возможно если переносчики заряда будут описываться единой волной функцией. К такому классу переносчиков заряда относятся бозоны. Собираясь вместе как одно целое, они образуют «гигантскую частицу», которая активно сопротивляется любому воздействию. И если в ней есть заряд, то есть бозоны имеют заряд, то возникает незатухающий ток сверхпроводимости.

В настоящее время фаза HgBa2Ca2Cu3O8+d (Hg−1223) имеет наибольшее известное значение критической температуры — 135 К.

Если бы мы заморозили сверхпроводник в нулевом поле, а потом поле включили, мы получили бы картинку силовых линий как на рис.-(б), а если охлаждали в конечном поле, то поле не изменилось бы, и картинка была бы как рис.-(а). Австрийский ученый Мейснер в 1933 году сделал вывод о существовании незатухающих токов внутри сверхпроводника, которые создают внутреннее магнитное поле, противоположно направленное внешнему, приложенному магнитному полю и компенсирующее его. Можно сказать, что сверхпроводник представляет собой идеальный диамагнетик.

Магнитное поле с напряжённостью Нc, которое при данной температуре вызывает переход вещества из сверхпроводящего состояния в нормальное, называется критическим полем, которое зависит от Тс.

Зависимость величины критического поля от температуры с хорошей точностью описывается выражением

{\displaystyle H_{c}(T)=H_{c0}\left(1-{\frac {T^{2}}{T_{c}^{2}}}\right)} , где {\displaystyle H_{c0}}Hc0 — критическое поле при нулевой температуре.

28.Жи́дкие криста́ллы

Жи́дкие криста́ллы (мезофазы, мезоморфное состояние вещества, анизотропная жидкость), вещества, находящиеся в промежуточном между твердым кристаллическим и изотропным жидким, в так называемом мезоморфном (греч. «мезос» — промежуточный, средний) состоянии. Жидкие кристаллы обладают свойствами жидкости — текучестью, способностью находиться в каплевидном состоянии, но при этом проявляют анизотропию оптических, электрических, магнитных и др. свойств, связанную с упорядоченностью в ориентации молекул. В отсутствие внешнего воздействия в жидких кристаллах анизотропны диэлектрическая проницаемость, магнитная восприимчивость, электропроводность и теплопроводность. В жидких кристаллах наблюдаются двойное лучепреломление и дихроизм. Открыты в 1888 году австрийским ботаником Ф. Рейницером.

По способу получения различают термотропные и лиотропные жидкие кристаллы. Лиотропные жидкие кристаллы образуются при растворении твердых кристаллов в определенных растворителях. К ним относятся многие коллоидные системы. Существует много типов лиотропных жидкокристаллических текстур. Их многообразие объясняется различной внутренней молекулярной структурой, которая является более сложной, чем у термотропных жидких кристаллов. Структурными единицами здесь являются не молекулы, а молекулярные комплексы — мицеллы. Мицеллы могут быть пластинчатыми, цилиндрическими, сферическими или прямоугольными.

Термотропные жидкие кристаллы — это вещества, для которых мезоморфное состояние характерно в определенном интервале температур. Ниже этого интервала вещество является твердым кристаллом, выше — обычной жидкостью. Такие жидкие кристаллы образуются при нагревании некоторых твердых кристаллов (мезогенных): сначала происходит переход в жидкий кристалл, причем может происходить последовательно переход из одной модификации в следующую, т. е. в жидких кристаллах проявляется полиморфизм. Каждая мезофаза существует в определенном температурном интервале. У разных веществ этот интервал различен.

Смектические жидкие кристаллы

В смектических жидких кристаллах (этиловый эфир азоксибензойной кислоты, водные растворы мыл) концы молекул как бы закреплены в плоскостях, перпендикулярных продольным осям молекул. Дальний порядок в расположении поперечных осей и центров тяжести молекул также отсутствует. Смектические кристаллы характеризуются слоистым строением. Центры тяжести удлиненных молекул находятся в плоскостях, равноудаленных друг от друга. В каждом слое молекулы ориентированы параллельно за счет упругого дисперсного взаимодействия. В этих материалах, помимо ориентационной упорядоченности молекул, существует частичное упорядочение центров тяжести молекул: центры тяжести молекул организованы в слои, расстояние между которыми фиксированы. Слои молекул легко смещаются относительно друг друга, и смектики на ощупь мылоподобные. Текучесть обеспечивается взаимным скольжением смектических плоскостей, поэтому вязкость достаточно велика. Различают несколько смектических полиморфных модификаций: А, В и С. В смектике А длинные молекулярные оси перпендикулярны смектическим слоям. Внутри слоев имеется лишь ближний позиционный порядок. В смектике В внутри слоя имеется дальний позиционный порядок в расположении молекул. Фазы А и В оптически одноосны. В фазе Сдлинные оси молекул согласованно наклонены к смектическим плоскостям; такие жидкие кристаллы оптически двуосны. Кроме фаз А, В и С известно еще несколько разновидностей смектических структур.

Нематические жидкие кристаллы

 Нематические жидкие кристаллы (параазоксианизол, растворы синтетических полипептидов) характеризуются ориентацией продольных осей молекул вдоль некоторого направления, т. е. для них характерен дальний ориентацнонный порядок. Нити (дисинклинации) подвижны и хорошо заметны в естественном свете. Они являются местами разрыва оптической непрерывности среды, где ориентация удлиненных молекул резко изменяется. Молекулы таких веществ представляют собой образования со сравнительно большим молекулярным весом, причем их протяженность в длину гораздо больше, чем в поперечных направлениях. Длинные оси молекул ориентированы вдоль одного общего направления, называемого нематическим директором. Однако центры тяжести молекул расположены беспорядочно, так что возникает симметрия более низкого порядка, чем у смектических кристаллов. При таком строении вещества возможно взаимное скольжение молекул вдоль нематического директора. В нематическом состоянии не все молекулы имеют одинаковую ориентацию. Так как на разных участках директор ориентирован по-разному, в жидком кристалле появляются области с различными направлениями директора — домены. Однородно ориентированные слои нематика с осями молекул, параллельными поверхностям пластин, называют планарной текстурой. На границах раздела доменов меняется коэффициент преломления света, поэтому жидкие кристаллы выглядят мутными.

Холестерические жидкие кристаллы

Молекулы холестерических жидких кристаллов имеют форму продолговатых пластинок, расположенных параллельно друг другу. Холестерические жидкие кристаллы являются разновидностью нематических жидких кристаллов, но в них отсутствует координационный дальний порядок. Текучесть вещества обеспечивается поступательным перемещением и вращением молекул в их плоскости. Директоры соседних молекул смещены относительно друг друга, в результате чего образуется холестерическая спираль — слоистая винтовая структура с шагом спирали L порядка 300 нм. Т. е. вся структура дополнительно закручена вокруг оси винта, перпендикулярной молекулярным осям. Такая фаза ведет себя по отношению к падающему излучению подобно интерференционному фильтру: световые лучи испытывают селективные отражения. Явление во многом аналогично дифракции рентгеновских лучейна кристаллических решетках твердых тел. Однако масштабы здесь совсем иные: поскольку периоды холестерической спирали составляют сотни нанометров, длины волн, удовлетворяющих условию Вульфа-Брэгга, соответствуют видимой области спектра. Если плоский слой холестерического жидкого кристалла освещать белым светом, то в отраженном состоянии он будет казаться окрашенным, причем окраска может изменяться в зависимости от угла наблюдения и от температуры. Изменения цвета текстуры при изменении температуры называют термохромным эффектом.