תסכול - לא קורה רק לאנשים
01/02/2017
תסכול. התחושה הלא נעימה הזאת כשרוצים לעשות משהו ולא יכולים. התחושה הלא נעימה הזאת כשעשינו משהו והוא לא יצא כמו שרצינו. חלקנו תוהים אם "תסכול" היא לא מילה נרדפת ל"מדע" (יומירן, אני מסתכלת עליך). אבל תסכול, בנוסף לתחושה, הוא גם מצב פיסיקלי. תסכול פיסיקלי - בדומה לתסכול אנושי - נובע גם הוא ממצב שבו לא ניתן לעשות את "מה שרוצים".
הפעם הראשונה שבה רוב הפיסיקאים נתקלים בתסכול (לא שלהם, של מערכות פיסיקליות) היא בחומרים מגנטיים. חומרים מגנטיים הם חומרים שבהם אחת מדרגות החופש היא מגנטית. לרוב, יהיה מדובר באלקטרון בודד ברמה האנרגטית הגבוהה ביותר שמצב המומנט המגנטי שלו ("ספין") יכול להיות "למעלה" או "למטה". באופן יותר פשטני, ניתן לחשוב על חומרים מגנטיים כחומרים המורכבים ממגנטים מלבניים קטנים (שלהם קוטב צפוני וקוטב דרומי), כשכל מגנט קבוע במקומו אבל יכול להסתובב סביב צירו.
לפעמים אין למגנטים את החופש לבחור כל זווית, והם מוגבלים אך ורק ל"צפון" או "דרום".
חומר פרו-מגנטי (ferro - כי ברזל היה החומר המגנטי הראשון שהתגלה) הוא חומר שבו במצב היסוד כל המגנטים מקבילים, זאת אומרת מצביעים לאותו הכיוון. חומר פרומגנטי הופך לפרומגנטי מכיוון שמשתלם אנרגטית למערכת להיות במצב שבו כל המומנטים המגנטיים מצביעים לאותו הכיוון. רוב המגנטים הקבועים שאנחנו מכירים מחיי היום-יום הם חומרים פרומגנטיים (חוץ ממגנטי חתונות וכו' [2]).
בחומר אנטי-פרומגנטי מצב היסוד מתקבל דווקא כשהמומנטים מסודרים בכיוונים מנוגדים לסירוגין - ראש לזנב, או צפון לדרום. מה קורה כאשר לא ניתן לספק את כל המומנטים השכנים? דוגמה פשוטה למצב כזה הוא שריג משולש במצב אנטי-פרומגנטי [3]: קודקוד אחד של המשולש מצביע צפונה, קודקוד שני של המשולש מצביע דרומה - אבל לאן יצביע המומנט בקודקוד השלישי?
המומנט הזה יאלץ להישאר מתוסכל, שכן עבור כל כיוון שיבחר יהיה קשר אחד שיהיה בין מומנטים המצביעים לאותו הכיוון. במקרה כזה ניתן לומר שכל המערכת מתוסכלת, מכיוון שהתסכול יכול לעבור ממומנט אחד לאחר במעין אפקט דומינו. יש תופעות רבות ומעניינות במערכות מתוסכלות מגנטית, אחת מהן היא התופעה המכונה "נוזל ספין" בה המומנטים המגנטיים הם המומנטים של האלקטרונים (ספין) [4].
ניתן לדבר על תסכול גם במערכות מכניות. בכנס האחרון של אגודת הפיסיקה הישראלית הרצה ד"ר יאיר שוקף על קוביות מחומר גמיש, שצורתן מהונדסת כך שכשהן נמעכות הפאות שלהן מתקפלות החוצה או פנימה [5]. כאשר מחברים כמה קוביות כאלה באופן שהפאות שלהן תואמות (פאה שמתקפלת החוצה ליד פאה שמתקפלת פנימה), הכל מצוין ומסתדר במעיכה. אבל מה קורה כשמסדרים את הקוביות באופן שאינו מתאים? למשל, שתי פאות שמתקפלות החוצה זו כנגד זו? במקרה כזה אחת הקוביות תהיה "מתוסכלת", מכיוון שהפאה שלה שמעדיפה להתקפל החוצה תהיה חייבת להתקפל פנימה כנגד הקיפול החוצה של הקובייה שלידה. על ידי חישובים ובחינה של האנרגיות של המצבים השונים הצליחו החוקרים מקבוצתו של שוקף לחזות את הסידור הדרוש של קוביות כדי ליצור תבנית רצויה על אחת הפיאות (בוידאו השני [6]).
תופעות של תסכול יכולות להביא לצורות חדשות של חומר, צורות שהן לרוב דינמיות הרבה יותר מכיוון שאין "מצב יסוד" העדיף על המערכת, והמערכת כולה חולקת את התסכול.
---
אלה נמצאת בעיצומו של פוסט-דוקטורט במעבדה לחומרים קוונטיים אשר במחלקה לפיסיקה באוניברסיטת קליפורניה, ברקלי. במהלך הדוקטורט במכון וייצמן חקרה תכונות של חומרים מגנטיים בטמפרטורות נמוכות באמצעות מיקרוסקופ מגנטי שתוכנן ונבנה על ידה.
