По своїй фізичній сутності надпровідність є слідством створення за рахунок квантових ефектів більшого ступеня упорядкованості в матеріалі. В даний час запропонований цілий ряд теоретичних моделей надпровідності, наприклад, екситонна, сендвіч модель. Проте ці уявлення усе ще очікують свого експериментального підтвердження.
Надпровідність - явище надзвичайно чутливе до температури і зовнішнього магнітного поля. Якщо вплив температури на надпровідність досить очевидний (тепловий рух зруйнує куперовські пари), то дія магнітного поля на матеріал у надпровідному стані більш складна. Відзначимо, що дія магнітного поля на надпровідник особливо важлива, тому що струм, що протікає в матеріалі, створює своє власне магнітне поле. Експерименти показують, що для кожного надпровідника існує своє критичне значення поля, при якому це явище зникає. Таким чином, надпровідний стан існує у внутрішній області тривимірного простору координатних осей густини струму, температури і напруженості магнітного поля.
З висловлених теоретичних розумінь про механізм надпровідністі випливає, що підвищити температуру переходу в надпровідниковий стан і домогтися найширшого практичного застосування надпровідників можливо підвищенням кристалічної досконалості ґратки твердого тіла. Найбільших успіхів в підвищенні температури переходу в надпровідний стан цим шляхом удалося досягти в металевому сплаві МЬ-АІ-Ое (20,7К). У той же час останні експериментальні роботивиявили високотемпературний надпровідний стан у деяких керамічних шаруватих речовин, де дефектність матеріалу досить висока. Вперше ефект надпровідності в кераміці був виявлений у сполуці УВа2Сиз04. Після відкриття надпровідності у цього матеріалу на протязі буквально місяців був переборений "азотний" рубіж (77 К ) переходу в надпровідний стан. Цього вдалося домогтися шляхом варіації складу і технології термообробки кераміки.
В даний час через низькі температури фазового переходу в надпровідний стан застосування надпровідників усе ж обмежене. Найбільші перспективи пов'язуються з застосуванням багатошарової структури надпровідник-діелектрик-надпровідник (Джозефсонівський перехід). Експериментальне показано, що за рахунок тунельного ефекту через Джозефсонівський перехід може протікати електричний струм. Така система виявляє величезну чутливість до магнітного поля при своєму надзвичайно низькому енергоспоживанні. За своєю швидкодією і енергоспоживанням мікросхеми на ефекті Джозефсона на декілька порядків можуть бути більш ефективними чим їх напівпровідникові аналоги. Особливу актуальність розробки такого виду структур отримали після відкриття надпровідності в досить технологічних і дешевих керамічних матеріалах.
У медичній техніці надпровідники застосовуються для досліджень надшвидких магнітних полів. Зокрема, володіючи чутливістю в ІО'12^5Тл, тобто в 1000 разів вищою будь-якого іншого відомого матеріалу, вперше вдалося виміряти магнітокардіограму серця. Очевидно, очікується, що, якщо так зване біополе має електромагнітну природу, то за допомогою надпровідників удасться визначити його структуру і параметри.
Відзначимо також, що абсолютні величини струмів, напруг і опорів, що вимірюються за допомогою джозефсонівських систем, досягають 10'15В , 10"17А і 10~12Ом відповідно. Похибка прицьому складає біля 10 %. Висока достовірність вимірів електричних параметрів таким методом дозволяє сподіватися на отримання кількісної інформації про електричні й електрохімічні процеси в біологічних системах.
З керамічними надпровідниками пов'язуються великі перспективи в створенні магнітних полів надвисокої напруженості. Це обумовлено можливістю без особливих труднощів збуджувати і підтримувати в електричному колі величезні струми. Наприклад, для створення поля напруженістю в 40 кА/см необхідний надпровідний дріт масою біля півтора кілограми, тоді як для конструкції такого електромагніту з міді і заліза необхідні тонни. У цьому відношенні розробка високотемпературних надпровідників повинна повністю змінити багато галузей промисловості.
5.4. РІДКІ КРИСТАЛИ - ВІЗУАЛЬНІ ІНДИКАТОРИ ЗОВНІШНІХ ВПЛИВІВ
Рідкі кристали (анізотропні рідини) - це речовини, що у визначеному інтервалі зовнішніх дій зберігають упорядковану молекулярну структуру в рідкому стані. Завдяки упорядкованій будові, вони об'єднують у собі властивості, характерні як для кристалів, так і для хаотичної структури рідкої фази.
Важливе місце серед відомих рідких кристалів займають органічні речовини, у яких молекули мають подовжену форму. Для таких середовищ у рідкому стані досить сильна внутрімолекулярна взаємодія сполучається зі слабким Ван-дер-Ваальсовським міжмолекулярним. При цьому такий комплекс міжатомних сил зберігається в строго визначеному температурному інтервалі від температури плавлення до так званої температури просвітління, після якої рідкий кристал перетворюється в ізотропне рідке середовище.
За структурою рідкі кристали поділяють на три класи:нематичні, смектичні і холестеричні. У кристалах першого класу молекули вибудовані в ланцюжки, переважний напрямок яких формує оптичну вісь середовища. У матеріалах другого класу молекули розташовуються паралельними шарами, що легко зміщаються один відносно іншого. Кристали третього класумають найбільш складну, просторову будову. Молекули цих кристалів утворюють просторову спіраль. Причому на кожному кроці спіралі зберігаються молекулярні ланцюжки, що нагадують кристалічну будову матеріалів першого класу.
Орієнтаційний порядок у будові рідких кристалів обумовлює анізотропію багатьох електрофізичних властивостей матеріалу. Показник заломлення, діелектрична проникність, питомий електричний опір, в'язкість сильно залежать від напрямку, вздовж якого проводять виміри. Зокрема, електричний опір рідкого кристалу вздовж і перпендикулярно напрямку молекулярних ланцюгів може різнитися на декілька порядків, а теплопровідність у тих же умовах різниться майже в два рази [5].
Структура рідких кристалів легко змінюється під дією тиску, електричного і магнітного полів, нагрівання. У свою чергу зміна параметрів квазікристалічної ґратки (варіація кроку спіралі, зсув шарів або їх частин один відносно іншого) відбивається на оптичних характеристиках середовища, що як правило зафіксувати не важко.
Якщо механічний вплив на речовину безпосередньо викликає зміну структури кристалу, то магнітне і електричне поле діє на матеріал за допомогою взаємодії з відповідними електромагнітними параметрами молекул. Так при поміщенні комірки з нематичним рідким кристалом у магнітне поле відбувається одночасний поворот і орієнтація молекул. Така поведінка матеріалу є слідством анізотропії його магнітних властивостей, коли сегменти з діамагнітними властивостями виштовхуються з магнітного поля, створюючи передумови для механічного руху. Хоча в цілому величина індивідуальної енергії взаємодії молекули з магнітним полем приблизно на 6 порядків менша теплової, усе ж взаємодія з комплексом молекул може бути значною. Це і є причиною прояву оптичної реакції кристалу на магнітне поле.
Специфічно поводяться в магнітному полі смектичні рідкі кристали. Цей тип рідких кристалів має підвищену в'язкість, і тому його молекули слабко орієнтується в магнітному полі. Проте така ситуація створює перспективу формування магнітноїтекстури при низьких температурах, коли орієнтація молекул зберігається при знятті поля.
При поміщенні холестеричного кристалу в магнітне поле довгі • спіралі молекул намагаються розташуватися вздовж силових ліній. При зростанні напруженості поля відбувається поступове розкручування спіралі, і при досягненні деякого значення Не в декілька тесел спіраль цілком розпрямляється.
Іншими словами, відбувається фазове перетворення з переходом матеріалу з холестеричного в нематичний стан.
За своїми електричними властивостями рідкі кристали відносяться до діелектриків. Їх середній питомий опір складає 106 -109Ом • м і сильно залежить від присутності провідноїдомішки. Для матеріалів цього класу характерна електронна і дипольна (сегментна) поляризація.
Механізм взаємодії рідкого кристалу з електричним полем накладає обмеження на частотний діапазон застосування матеріалів. Експерименти показують, що на зміщення молекул або їх частин при зовнішніх впливах потрібно 1-Ю мс, а на релаксацію до вихідного стану ще більше - 20-200 мс. Така особливість рідких кристалів обмежує область їх застосування областю низьких частот (не більш 2-5 кГц).
Як відзначалося вище, властивості рідких кристалів багато в чому визначаються вмістом у ньому домішок. При цьому вплив домішок на електрофізичні параметри може здійснюватися двояким способом. По-перше, домішкові атоми можуть деформувати структуру ґратки і змінювати її параметри шляхом заміни вихідних атомів на інші компоненти з утворенням або розчинів, або нових складних кристалогідратів. Домішкові атоми можуть і не змінювати кристалічний ост матеріалу. Тоді домішка виявляє себе як швидкорухомий вільний носій заряду, а на оптичній властивості її присутність позначається в зміні характеру її руху при варіації загального кристалографічного порядку ґратки при її взаємодії з випромінюванням. Необхідно відзначити, що введення в рідкий кристал домішок з утворенням сумішей, як правило, призводить до розширення температурного інтервалу існування рідкокристалічної фази.
Крім зміни кольору рідкого кристалу при зміні зовнішніх умов, рідкі кристали володіють і іншими кристалооптичними властивостями. Для рідких кристалів характерний плеохроїзм, тобто різні довжини хвиль оптичного діапазону поглинаються по різному. На практиці це означає, що при освітленні кристалу білим поляризованим світлом, кристал зафарблюється різними кольорами в різних напрямках.