المحبطين

ضيف القسم: د. يائير شوكوف، قسم فيزياء الأنظمة المعقدة "نموذج الإحباط في المادة قد يمنح العلماء فكرة مهمة عن سلوك الجسيمات في العديد من أنواع المواد الحقيقية"

من الصعب استضافة عدد كبير من الأشخاص لتناول العشاء، والتأكد من رضا الجميع. المضيف الذي يحاول ترتيب ضيوفه حول طاولة ذات عدد فردي من الجوانب (على سبيل المثال، مثلث)، بحيث تجلس النساء على جانبي كل رجل، بينما يجلس الرجال على جانبي كل امرأة، لن ينجح ببساطة في القيام بذلك مما قد يتسبب في إحباط بعض الضيوف. ومن ناحية أخرى، إذا اختار طاولات مربعة، فيمكنه النجاح في المهمة وسيكون الجميع سعداء. اتضح أنه حتى في الطبيعة، تلعب بنية التغليف دورًا مركزيًا في القدرة على تجنب الإحباط.

إليكم مثال آخر: انضمام شخص ثالث إلى عشاء حميم لشريكين عادة ما يسبب الإحباط. لسوء الحظ، ليس الجميع يفهم هذا. وتبين أن ظاهرة "العامل الثالث المحبط" موجودة أيضا في العالم المادي، وخاصة في عالم المواد المضادة للمغناطيسية الحديدية. في هذه المواد، يكون لكل جسيم دوران مغناطيسي (“Spin”) يجعله “يشير” في اتجاه معين. يتم تنظيم الجزيئات في بلورة المادة بحيث يفضل كل جسيم أن يكون اتجاه دورانه معاكسًا لاتجاه دوران جيرانه. إحدى الطرق الفعالة لترتيب الجزيئات هي "تجميعها" في مثلثات. ومع ذلك، فإن كتلة من المواد التي تحتوي على أشكال مثلثة سوف تتسبب في وضع اثنين من الجسيمات الثلاثة في كل مثلث بجوار الجسيمات التي لها نفس اتجاه الدوران مثل جسيماتها - وهذه وصفة للإحباط المستمر. ولذلك فإن العديد من المواد "تبحث" عن طرق أخرى للتنظيم، تسمح للجزيئات بالدوران وتغيير اتجاهات دورانها، وذلك بهدف إيجاد تنظيم تطبق فيه قاعدة عدم التجاور بين الجسيمات التي لها نفس اتجاه الدوران. تتحقق. وفي كثير من الأحيان، يؤدي عدم قدرة المادة على تنظيم نفسها وفق قاعدة اتجاه الدوران المعاكس إلى الإحباط المستمر، والذي بدوره سيؤدي إلى الفوضى الكاملة.

حتى وقت قريب، لم يكن أحد قادرا على مراقبة ديناميكيات الجسيمات الذرية الفردية التي تبحث عن وسيلة للخروج من حالاتها المحبطة. لكن الدكتور يائير شوكوف، باحث ما بعد الدكتوراه الذي انضم مؤخرًا إلى مجموعة البروفيسور غريغوري فالكوفيتش، رئيس قسم فيزياء الأنظمة المعقدة في معهد وايزمان للعلوم، جلب معه رؤى جديدة في هذا المجال. خلال فترة أبحاثه السابقة، ضمن المجموعات البحثية للبروفيسور أرجون يود والبروفيسور توم لوبانسكي في جامعة بنسلفانيا، شارك الدكتور شوكوف في إنتاج نظام نموذجي من الجسيمات المحبطة التي مكّن حجمها من مراقبتها على أرض الواقع. الوقت من خلال المجهر. يتكون هذا النظام من كرات صغيرة محاصرة في طبقة رقيقة جدًا من الماء. لم يكن لدى المجالات حرية كبيرة في التحرك لأعلى ولأسفل، وكان ميلها الطبيعي هو وضع نفسها على أكبر مسافة ممكنة من المجالات الأخرى (لزيادة "مساحتها الشخصية" قدر الإمكان). تشبه الحالتان، الأعلى والأسفل، اتجاهي الدوران المعاكسين في الأنظمة المغناطيسية المضادة. وتصنع الكرات من مادة خاصة، بحيث يؤدي الانخفاض الطفيف في درجة الحرارة إلى انتفاخها، وهو ما يسمح للعلماء بالنظر إلى الظواهر التي تحدث في مادة تمر بتغير مثل التبريد، الذي يتسبب في تزاحم الجزيئات مع بعضها البعض وتنظيمها في هيكل "أكثر إحكاما".

وتظهر نتائج هذه الدراسة، التي نشرت مؤخرا في مجلة نيتشر العلمية، أن النظام المحبط لن يصل بالضرورة إلى حالة من الاضطراب الشامل. وبدلًا من ذلك، تصطف الجسيمات العلوية والسفلية في أنماط من الخطوط المتعرجة التي لها نظام في اتجاه واحد وعشوائية في الاتجاه الآخر. يقول الدكتور شقف: «إن الهندسة بسيطة نسبيًا». "في الطبقة الملتفة، التي تتشكل نتيجة تحرك الجزيئات لأعلى ولأسفل، سيتم تشويه كل مثلث يتكون من ثلاثة جسيمات متجاورة. بدلاً من المثلث متساوي الأضلاع (الذي يمكن أن يوجد إذا تم وضع جميع الجسيمات في مستوى واحد)، فإنها تشكل مثلثات متساوية الساقين، حيث يتساوى جانبان فقط من الجوانب - وليس الثلاثة جميعها. ستبدو ترتيبات التبليط للمثلثات متساوية الأضلاع كما هي بغض النظر عن كيفية وضع المثلثات. لكن مجموعات مختلفة من المثلثات متساوية الساقين تنتج أشكالًا مختلفة، وواحد أو اثنان فقط من هذه الأشكال مفيدان لتعبئة الجزيئات بشكل فعال. عندما نظر الباحثون إلى التكوينات المحتملة لستة مجالات محيطة بكرة مركزية واحدة في حالة زيادة ثابتة في الكثافة، وجدوا أنه في بعض الترتيبات، كانت المجالات المركزية أكثر استقرارًا وأقل ميلاً لتغيير اتجاهات دورانها. الدكتور شوكوف: "هذا النموذج من الإحباط في مادة ما قد يمنح العلماء فكرة مهمة عن سلوك الجزيئات في العديد من أنواع المواد الحقيقية، بما في ذلك تلك التي تستقر في هيكل يشبه الزجاج والمواد المضادة للمغناطيسية ذات الخصائص المرنة."

باختصار: السؤال: هل من الممكن استضافة عدد كبير من الناس على العشاء، والتأكد من رضا الجميع؟ هل من الممكن تجنب الإحباط الناجم عن حضور شخص ثالث في اجتماع الزوجين؟ وماذا يعني هذا فيما يتعلق بتنظيم كتل المادة؟

النتائج: هذا النموذج من الإحباط المادي قد يمنح العلماء فكرة مهمة عن سلوك الجسيمات في العديد من أنواع المواد الحقيقية.