Paweł Steinhardt - Paul Steinhardt

Paul Steinhardt
Paul J. Steinhardt.jpg
Urodzić się
Paul Joseph Steinhardt

( 1952-12-25 )25 grudnia 1952 (wiek 68)
Waszyngton
Narodowość amerykański
Alma Mater
Znany z
Nagrody
Kariera naukowa
Pola Fizyka teoretyczna
Kosmologia
Fizyka materii skondensowanej
Instytucje
Praca dyplomowa Kratowa teoria elektrodynamiki kwantowej smaku SU(N) w (1+1)-wymiarach  (1978)
Doradca doktorski Sidney R. Coleman
Inni doradcy akademiccy
Doktoranci
Strona internetowa paulsteinhardt .org }

Paul Joseph Steinhardt (ur. 25 grudnia 1952) jest amerykańskim fizykiem teoretykiem, którego głównymi badaniami są kosmologia i fizyka materii skondensowanej. Obecnie jest profesorem nauk ścisłych Alberta Einsteina na Uniwersytecie Princeton, gdzie jest wykładowcą zarówno na wydziałach fizyki, jak i nauk astrofizycznych.

Steinhardt jest najbardziej znany z opracowywania nowych teorii dotyczących pochodzenia, ewolucji i przyszłości wszechświata. Jest również dobrze znany z eksploracji nowej formy materii, znanej jako quasikryształy , o których sądzono, że istnieją tylko jako materiały wytworzone przez człowieka, dopóki nie odkrył pierwszego znanego naturalnego quasikryształu w próbce muzealnej. Następnie kierował oddzielnym zespołem, który uzupełnił to odkrycie kilkoma innymi przykładami naturalnych quasikryształów odzyskanych z dziczy Półwyspu Kamczatka w dalekowschodniej Rosji.

Na te tematy napisał dwie popularne książki. Endless Universe: Beyond the Big Bang (2007) , którego współautorem jest Neil Turok , opisuje wczesne zmagania w kwestionowaniu powszechnie akceptowanej teorii wielkiego wybuchu i późniejszego rozwoju podskakujących lub cyklicznych teorii wszechświata, które są obecnie badane i przetestowany. The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter (2019) opowiada historię quasikryształów od jego wynalezienia koncepcji z jego ówczesnym studentem Dovem Levine, po wyprawę do dalekowschodniej Rosji w celu odzyskania fragmentów meteorytów zawierających naturalne Ziarna quasikrystaliczne powstały miliardy lat temu.

Edukacja i kariera

Urodzony przez Helen i Charles Steinhardt, Paul Steinhardt jest drugim najstarszym z czwórki dzieci. Dorastał w Miami na Florydzie, gdzie uczęszczał do Coral Gables Senior High School podczas zajęć na lokalnym uniwersytecie. Steinhardt uzyskał tytuł Bachelor of Science in Physics w Caltech w 1974 roku, a jego doktorat. Doktoryzował się z fizyki na Uniwersytecie Harvarda w 1978 roku, gdzie jego doradcą był Sidney Coleman . Był Junior Fellow w Harvard Society of Fellows od 1978 do 1981; awansował z niższego wydziału na profesor Mary Amanda Wood na Uniwersytecie Pensylwanii w latach 1981-1998, podczas którego utrzymywał długoterminową współpracę z Centrum Badawczym Thomasa J. Watsona ; i jest wykładowcą na Uniwersytecie Princeton od jesieni 1998 roku. Był współzałożycielem Princeton Center for Theoretical Science i pełnił funkcję jego dyrektora od 2007 do 2019 roku.

Badania

Kosmologia inflacyjna

Począwszy od wczesnych lat osiemdziesiątych, Steinhardt był współautorem przełomowych artykułów, które pomogły położyć podwaliny pod inflacyjną kosmologię .

Steinhardt na Uniwersytecie Pensylwanii

Powolna inflacja i generowanie zarodków dla galaktyk: W 1982 roku Steinhardt i Andreas Albrecht (oraz niezależnie Andrei Linde ) skonstruowali pierwsze modele inflacyjne, które mogły przyspieszyć ekspansję Wszechświata na tyle, aby wyjaśnić obserwowaną gładkość i płaskość wszechświat, a następnie „wdzięcznie wyjdź” do skromniejszej ekspansji obserwowanej dzisiaj. Artykuł Albrechta-Steinhardta jako pierwszy odnotował wpływ tarcia Hubble'a na utrzymanie inflacji przez wystarczająco długi okres (efekt „powolnego toczenia”), stanowiąc prototyp dla większości kolejnych modeli inflacyjnych.

Tarcie Hubble'a odegrało kluczową rolę w artykule Jamesa Bardeena, Steinhardta i Michaela S. Turnera z 1983 roku, którzy jako pierwsi wprowadzili niezawodną, ​​relatywistycznie ocenianą, niezmienniczą metodę obliczania, w jaki sposób fluktuacje kwantowe podczas inflacji mogą naturalnie generować widmo gęstości o niemal niezmiennej skali. fluktuacje z niewielkim nachyleniem, właściwości, które później wykazały obserwacje mikrofalowego promieniowania tła jako cechy naszego Wszechświata. Wahania gęstości to nasiona, wokół których ostatecznie tworzą się galaktyki. Równoczesne obliczenia kilku innych grup doprowadziły do ​​podobnych wniosków przy użyciu mniej rygorystycznych metod.

Wieczna inflacja i wieloświat: W 1982 roku Steinhardt przedstawił pierwszy przykład wiecznej inflacji . Ostatecznie wykazano, że niekończąca się inflacja jest ogólną cechą modeli inflacyjnych, która prowadzi do wieloświata , rozpadu przestrzeni na nieskończoną liczbę łatek obejmujących nieskończony zakres wyników zamiast pojedynczego gładkiego i płaskiego wszechświata, jak początkowo oczekiwano, gdy pierwszy zaproponował.

Chociaż niektórzy kosmolodzy zaczęli później objąć wieloświat, Steinhardt konsekwentnie wyrażał swoje zaniepokojenie, że całkowicie niszczy on predykcyjną moc teorii, którą pomógł stworzyć. Ponieważ teoria inflacji prowadzi do wieloświata, który pozwala na każdy możliwy wynik, argumentował Steinhardt, musimy stwierdzić, że teoria inflacji w rzeczywistości niczego nie przewiduje.

Odcisk fal grawitacyjnych na kosmicznym mikrofalowym tle: W 1993 r. Robert Crittenden, Rick Davis, JR Bond, G. Efstathiou i Steinhardt wykonali pierwsze obliczenia pełnego odcisku fal grawitacyjnych na mapach temperatury B-modu i polaryzacji mikrofalowe promieniowanie tła w 1993 roku.

Pomimo krytyki tego pomysłu, wielki wkład Steinhardta w teorię inflacji doceniono w 2002 roku, kiedy otrzymał nagrodę Diraca z Alanem Guthem z MIT i Andreiem Linde ze Stanford .

Problem nieprawdopodobieństwa: w 2013 r. Anna Ijjas, Abraham Loeb i Steinhardt dodali do krytyki w szeroko dyskutowanej parze artykułów, że model inflacyjny z mniejszym prawdopodobieństwem wyjaśnia nasz wszechświat, niż wcześniej sądzono.

Zgodnie z ich analizą wyników satelity Planck 2013, szanse na uzyskanie wszechświata pasującego do obserwacji po okresie inflacji są mniejsze niż jeden w googolplexie . Steinhardt i jego zespół nazwali wynik „problemem braku prawdopodobieństwa”. Oba artykuły pokazały również, że dane satelitarne Plancka wykluczały to, co historycznie uznawano za najprostsze modele inflacyjne, a pozostałe modele inflacyjne wymagają większej liczby parametrów, dokładniejszego dostrojenia tych parametrów i bardziej nieprawdopodobnych warunków początkowych.

W 2015 r. problem podobieństwa został potwierdzony i wzmocniony przez kolejną rundę pomiarów zgłoszonych przez zespół satelity Planck.

Niezgodność z przypuszczeniami o bagnach strun: W 2018 r. Steinhardt, we współpracy z Prateek Agrawal, George Obieds i Cumrun Vafa, argumentował, że inflacja może być również niezgodna z teorią strun, ponieważ modele inflacyjne generalnie naruszają ograniczenia (czasami nazywane „przypuszczeniami o bagnach”). ) na temat tego, co jest wymagane, aby model był zgodny z grawitacją kwantową.

Kosmologia skacząca i cykliczna

Zmotywowany tym, co uważał za niepowodzenia teorii inflacji, Steinhardt stał się wiodącym twórcą nowej klasy modeli kosmologicznych, które zastępują tzw. Wielki Wybuch odbiciem. Nowa teoria przewiduje płynne przejście z poprzedniego okresu kurczenia się do obecnego okresu ekspansji, unikając jakiejkolwiek potrzeby inflacji i unikając niesławnego problemu kosmicznej osobliwości związanego z Wielkim Wybuchem. Naturalnym rozszerzeniem tych idei jest nigdy nie mający początku i niekończący się cykliczny wszechświat, w którym w regularnych odstępach czasu powtarzają się epoki odbijania się, rozszerzania i kurczenia.

Wczesne modele: Pierwsze przykłady tych podskakujących i cyklicznych modeli, określanych jako „ekpirotyczne”, zostały przedstawione w artykułach z 2001 r. wraz z Justinem Khourym, Burtem A. Ovrutem i Neilem Turokiem.

Pierwszy model opierał się na spekulatywnym pojęciu sugerowanym przez teorię strun, że wszechświat ma dodatkowe wymiary ograniczone „branami” (gdzie „brana” pochodzi od „membrany”, podstawowego obiektu w teorii strun). Odbicie odpowiadało zderzeniu i odbiciu tych bran. Odbicie (tj. zderzenie bran) byłoby gwałtownym wydarzeniem, które byłoby wrażliwe na efekty grawitacji kwantowej, które nie zostały jeszcze ustalone. W 2002 roku Steinhardt i Turok włączyli ideę ekpirotyczną do śmielszej propozycji: wczesnej wersji cyklicznej teorii wszechświata.

Nowy model cykliczny: nowsze wersje opracowane przez Annę Ijjas i Steinhardt nie wymagają dodatkowych wymiarów, bran ani teorii strun; Można wykorzystać zwykłe pola o energii potencjalnej ewoluującej w czasoprzestrzeni, podobne do modeli inflacyjnych. Co więcej, odbicie jest łagodnym przejściem, które można w pełni obliczyć, ponieważ występuje na długo przed tym, zanim efekty grawitacji kwantowej staną się ważne. Nie ma problemu kosmicznej osobliwości, w przeciwieństwie do teorii opartych na Wielkim Wybuchu.

W cyklicznej wersji tych modeli przestrzeń nigdy nie pęka; raczej z konieczności rośnie z odbicia do odbicia co około 100 miliardów lat. Po każdym odbiciu energia grawitacyjna jest przekształcana w materię i promieniowanie, które napędza następny cykl. Dla obserwatora ewolucja wydaje się być cykliczna, ponieważ temperatura, gęstość, liczba gwiazd i galaktyk itp. są średnio takie same w kolejnych cyklach, a obserwator nie widzi wystarczająco daleko, aby wiedzieć, że jest więcej przestrzeni . Fakt, że wszechświat rozszerza się ogólnie z cyklu na cykl, oznacza, że ​​entropia wytworzona we wcześniejszych cyklach (poprzez powstawanie gwiazd i inne procesy wytwarzające entropię) jest coraz bardziej rozrzedzana w miarę postępu cykli, a zatem nie ma żadnego fizycznego wpływu na kosmiczną ewolucję . Ten wzrost z cyklu na cykl i związane z nim rozrzedzenie entropii to cechy, które odróżniają te nowe modele cykliczne od wersji omawianych w latach dwudziestych przez Friedmanna i Tolmana i wyjaśniają, w jaki sposób nowy cykliczny model unika „problemu entropii”, który nękał wcześniejsze wersje.

Zalety: Modele cykliczne mają dwie ważne zalety w porównaniu z modelami inflacyjnymi . Po pierwsze, ponieważ nie uwzględniają inflacji, nie tworzą wieloświata. W rezultacie, w przeciwieństwie do inflacji, modele cykliczne tworzą jeden wszechświat, który wszędzie ma te same przewidywane właściwości, które podlegają testom empirycznym. Po drugie, modele cykliczne wyjaśniają, dlaczego musi istnieć ciemna energia. Zgodnie z tymi trybami przyspieszona ekspansja spowodowana przez ciemną energię rozpoczyna proces wygładzania, rozpad ciemnej energii na inne formy energii rozpoczyna okres powolnego kurczenia się, a powolne kurczenie jest odpowiedzialne za wygładzanie i spłaszczanie wszechświata.

Prognozy: Jednym z przewidywań modeli cyklicznych jest to, że w przeciwieństwie do inflacji, podczas procesu wygładzania i spłaszczania nie są generowane żadne wykrywalne fale grawitacyjne. Zamiast tego jedynym źródłem fal grawitacyjnych w kosmicznych skalach długości fal są tak zwane „wtórne fale grawitacyjne”, które są wytwarzane długo po odbiciu z amplitudami o wiele za słabymi, aby można je było znaleźć w obecnych detektorach, ale ostatecznie wykrywalne. Drugą prognozą jest to, że obecne rozszerzenie przyspieszenia musi w końcu się zatrzymać, a próżnia musi w końcu opaść, aby zainicjować następny cykl. (Inne przewidywania zależą od konkretnych pól (lub bran), które powodują skurcz).

Model cykliczny może naturalnie wyjaśniać, dlaczego stała kosmologiczna jest wykładniczo mała i dodatnia, w porównaniu z ogromną wartością oczekiwaną przez teorie grawitacji kwantowej . Zgodnie z oczekiwaniami stała kosmologiczna może zacząć być duża, ale potem powoli opadać w ciągu wielu cykli do maleńkiej wartości obserwowanej dzisiaj.

Odkrycie pola Higgsa w Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) może stanowić dodatkowe wsparcie dla modelu cyklicznego. Według obliczeń Steinhardta, Turoka i Itzhaka Bars, dowody z LHC sugerują, że obecna próżnia może w przyszłości ulec zanikowi. Zanik obecnej próżni jest wymagany przez model cykliczny, aby zakończyć obecną fazę ekspansji, kurczenia się, odbicia i nowej ery ekspansji; Higgs zapewnia możliwy mechanizm rozpadu, który można przetestować. Pole Higgsa jest realnym kandydatem na pole, które napędza cykle rozszerzania się i kurczenia.

Ciemna energia i ciemna materia: Steinhardt wniósł znaczący wkład w badania „ciemnej strony” wszechświata: ciemna energia , problem stałej kosmologicznej i ciemna materia .

Pierwszy dowód na przyspieszenie kosmiczne: W 1995 roku Steinhardt i Jeremiah Ostriker wykorzystali zgodność obserwacji kosmologicznych, aby wykazać, że obecnie musi istnieć niezerowy składnik ciemnej energii, stanowiący ponad 65 procent całkowitej gęstości energii, wystarczający do spowodowania ekspansji wszechświat przyspieszyć. Zostało to zweryfikowane trzy lata później przez obserwacje supernowych w 1998 roku.

Kwintesencja: Pracując z kolegami, wprowadził następnie pojęcie kwintesencji , formy ciemnej energii, która zmienia się w czasie. Po raz pierwszy został zaproponowany przez zespół Steinhardta jako alternatywa dla stałej kosmologicznej, która jest (z definicji) stała i statyczna; kwintesencja jest dynamiczna. Jego gęstość energii i ciśnienie zmieniają się w czasie. Artykuł z 2018 r. na temat przypuszczeń o bagnach z Agrawalem, Obiedsem i Vafą wskazuje, że kwintesencja jest jedyną opcją dla ciemnej energii w teorii strun i spójnej grawitacji kwantowej.

Samooddziałująca ciemna materia: W 2000 r. David Spergel i Steinhardt po raz pierwszy wprowadzili koncepcję silnie oddziałującej z sobą ciemnej materii (SIDM), aby wyjaśnić różne anomalie w standardowych modelach zimnej ciemnej, opartych na założeniu, że ciemna materia składa się ze słabo oddziałujących masywnych cząstek (określanych również jako „WIMPs”)

W 2014 r. Steinhardt, Spergel i Jason Pollack zaproponowali, że niewielka część ciemnej materii może mieć bardzo silne samooddziaływania, które spowodowałyby szybką koalescencję cząstek i zapadnięcie się w nasiona wczesnych supermasywnych czarnych dziur .

Quasikryształy

Rozwój teorii: W 1983 roku Steinhardt i jego ówczesny student Dov Levine po raz pierwszy przedstawili teoretyczną koncepcję quasikryształów w ujawnieniu patentowym. Kompletna teoria została opublikowana w następnym roku w artykule zatytułowanym „Quasicrystals: A New Class of Ordered Structures”. Teoria proponowała istnienie nowej fazy materii stałej, analogicznej do kafelków Penrose'a, z symetriami obrotowymi, które wcześniej uważano za niemożliwe dla ciał stałych. Steinhardt i Levine nazwali nową fazę materii „quasikryształem”. Nigdy wcześniej nie widziana struktura atomowa miała quasi-periodyczne uporządkowanie atomowe, a nie okresowe uporządkowanie charakterystyczne dla konwencjonalnych kryształów .

Nowa teoria obaliła 200 lat naukowego dogmatu i udowodniła, że ​​kwazikryształy mogą naruszać wszystkie wcześniej akceptowane twierdzenia matematyczne o symetrii materii. Symetrie, które kiedyś uważano za zakazane dla ciał stałych, są w rzeczywistości możliwe dla quasikryształów, w tym brył o osiach o pięciokrotnej symetrii i trójwymiarowej symetrii dwudziestościennej .

Pierwszy syntetyczny quasikryształ: Pracując jednocześnie ze Steinhardtem i Levine'em, ale niezależnie od nich, Dan Shechtman , Ilan Blech, Denis Gratias i John Cahn z National Bureau of Standards (NBS) skoncentrowali się na odkryciu eksperymentalnym, którego nie potrafili wyjaśnić. Był to niezwykły stop manganu i aluminium z dyfrakcyjnym wzorem, który wydawał się ostrymi (choć nie idealnie punktowymi) punktami ułożonymi z symetrią dwudziestościenną, która nie pasowała do żadnej znanej struktury krystalicznej. Stop został po raz pierwszy odnotowany w 1982 r., ale wyniki opublikowano dopiero w listopadzie 1984 r., po uzyskaniu bardziej przekonujących danych.

Steinhardt i Levine otrzymali wstępny wydruk artykułu zespołu Shechtmana i natychmiast uznali, że może to być eksperymentalny dowód ich wciąż nieopublikowanej teorii quasikrystalicznej. Teoria wraz z propozycją wyjaśnienia tajemniczej, zakazanej struktury nowego stopu została opublikowana w grudniu 1984 roku.

Ostatecznie odkryto, że nowy stop jest problematyczny. Okazało się, że jest niestabilny, a zauważone niedoskonałości wzoru dyfrakcyjnego pozwoliły na wiele wyjaśnień (w tym jedno dotyczące bliźniaczych kryształów zaproponowane przez Linusa Paulinga ), które były przedmiotem gorących dyskusji przez kilka następnych lat. W 1987 roku An-Pang Tsai i jego grupa z japońskiego Uniwersytetu Tohoku dokonali ważnego przełomu w syntezie pierwszego w historii stabilnego kwazikryształu dwudziestościennego . Miał ostre plamki dyfrakcyjne ułożone zgodnie z quasikryształową teorią Steinhardta i Levine'a i był niezgodny z żadnym z alternatywnych wyjaśnień. Debata teoretyczna została skutecznie zakończona, a teoria Steinhardta-Levine'a zyskała szeroką akceptację.

Mała próbka, o średnicy około 3 mm, meteorytu zawierającego chatyrkit (lewe górne i dolne panele) z kolekcji minerałów w Museo di Storia Naturale we Florencji we Włoszech. 2 stycznia 2009 r. Paul Steinhardt i Nan Yao zidentyfikowali pierwszy znany naturalny quasikryształ osadzony w próbce (obszar odkrycia oznaczony czerwonym kółkiem w prawym dolnym panelu).

Pierwszy naturalny kwazikryształ: W 1999 roku Steinhardt zebrał zespół na Uniwersytecie Princeton, aby poszukać naturalnego kwazikryształu. Zespół złożony z Petera Lu, Kena Deffeyesa i Nan Yao opracował nowy algorytm matematyczny do przeszukiwania międzynarodowej bazy danych wzorów dyfrakcji proszkowej.

Przez pierwsze osiem lat poszukiwania nie przyniosły żadnych rezultatów. W 2007 roku do zespołu dołączył włoski naukowiec Luca Bindi , ówczesny kustosz kolekcji minerałów na Universite' di Firenze. Dwa lata później Bindi zidentyfikował obiecujący okaz w magazynie swojego muzeum. Maleńki okaz o średnicy kilku milimetrów został zapakowany w pudełko z napisem „ khatyrkite ”, które jest zwykłym kryształem złożonym z miedzi i aluminium. 2 stycznia 2009 r. Steinhardt i Nan Yao, dyrektor Princeton Imaging Center, zbadali materiał i zidentyfikowali charakterystyczny wzór dyfrakcji dwudziestościennego quasikryształu. Był to pierwszy znany naturalny quasikryształ .

Dyfraktogram elektronów dla ikozaedrytu , pierwszego naturalnego quasikryształu, uzyskany przez skierowanie wiązki elektronów na pięciokrotną oś symetrii. Wzory odpowiadają doskonale (aż do rozdzielczości eksperymentalnej) z pięciokrotnymi wzorami po raz pierwszy przewidzianymi przez Paula Steinhardta i Dova Levine'a w latach 80. dla dwudziestościennego quasikryształu.

Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogical przyjął kwazikryształ jako nowego składnika mineralnego i oznaczono jego nazwę, icosahedrite . Materiał miał dokładnie taki sam skład atomowy (Al 63 Cu 24 Fe 13 ) jak pierwszy termodynamicznie stabilny quasikryształ zsyntetyzowany przez An-Pang Tsai i jego grupę w ich laboratorium w 1987 roku.

Wyprawa do Czukotki: Dwa lata po zidentyfikowaniu próbki muzealnej Steinhardt zorganizował międzynarodowy zespół ekspertów i poprowadził ich na wyprawę do jego źródła, odległego strumienia Listventovyi w Czukockim Okręgu Autonomicznym w północnej części półwyspu Kamczatka w dalekowschodniej Rosji . W skład zespołu weszli Bindi i Valery Kryaczko, rosyjski geolog rudy, który znalazł oryginalne próbki kryształu chatyrkitu podczas pracy w strumieniu Listventovyi w 1979 roku.

Na miejscu nad strumieniem Listventovyi na Kamczatce w 2011 roku (od lewej): Luca Bindi (Uniwersytet we Florencji, Włochy), Valery Kryachko (IGEM, Rosja) i Paul Steinhardt (Princeton, USA)

Pozostali członkowie zespołu to: Chris Andronicos, Vadim Distler, Michael Eddy, Alexander Kostin, Glenn MacPherson, Marina Yudovskaya i syn Steinhardta, William Steinhardt.

Po wykopaniu i płukaniu półtora tony gliny wzdłuż brzegów strumienia Listwienitowyj w Górach Koriackich zidentyfikowano osiem różnych ziaren zawierających ikozaedryt. W kolejnych latach badań zespół Steinhardta udowodnił, że zarówno próbka znaleziona w muzeum we Florencji, jak i próbki odzyskane z pola w Czukotki pochodziły z meteorytu powstałego 4,5 miliarda lat temu (zanim pojawiły się planety), a na Ziemi wylądowało około 15 000 lat. Lata temu.

Bardziej naturalne kwazikryształy: Dalsze badania ujawniły inne nowe minerały w próbkach Czukotki. W 2014 roku odkryto, że jednym z tych minerałów jest krystaliczna faza glinu, niklu i żelaza (Al38Ni33Fe30). Został zaakceptowany przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne i nazwany „steinhardtite” na cześć Steinhardta. W 2015 r. w innym ziarnie tego samego meteorytu odkryto drugi typ naturalnego quasikryształu. Drugi znany naturalny quasikryształ okazał się być inną mieszaniną glinu, niklu i żelaza (Al71Ni24Fe5) i miał symetrię dziesięciokątną (regularne układanie warstw atomowych, z których każda ma 10-krotną symetrię). Został on zaakceptowany przez Międzynarodowe Stowarzyszenie Mineralogiczne i nadano mu nazwę „dekagonit”.

Trzy inne minerały krystaliczne zostały również odkryte i nazwane na cześć kolegów zaangażowanych w badania quasikryształów Steinhardta: „hollisteryt” dla petrologa z Princeton, Lincolna Hollistera; „kryachkoite” dla rosyjskiego geologa Walerego Kriaczko; i „stolperit” dla byłego rektora Caltech, Eda Stolpera.

quasikrystaliczny wzór płytki Girih na prawej połowie spandrela w świątyni Darb-e Imam

Pierwszy kwazikryształ znaleziony w pierwszym teście bomby atomowej: w 2021 r. Steinhardt kierował zespołem, który odkrył nowy dwudziestościenny kwazikryształ stworzony przez detonację pierwszego urządzenia jądrowego w Alamogordo w Nowym Meksyku 16 lipca 1945 r. ( test Trinity ). Nowy quasikryształ został odkryty w próbce czerwonego trinitytu i jest najstarszym istniejącym antropogenicznym quasikryształem, jaki kiedykolwiek odkryto. Uważa się, że nieznana wcześniej struktura, wykonana z żelaza, krzemu, miedzi i wapnia, powstała w wyniku połączenia parującego piasku pustynnego i miedzianych kabli podczas wybuchu atomowego. Odkrycie unikalnego quasikryształu w trinitite może przekształcić dziedzinę kryminalistyki jądrowej , prowadząc do nowego narzędzia diagnostycznego, które mogłoby pomóc organom ścigania w zapobieganiu przyszłym atakom terrorystycznym za pomocą quasi-kryształów (które w przeciwieństwie do odpadów radioaktywnych i gazów nie ulegają rozkładowi) do identyfikacji sygnatury broń atomową i wyśledź sprawców.

Inny wkład w tę dziedzinę: Steinhardt i jego współpracownicy wnieśli znaczący wkład w zrozumienie unikalnych właściwości matematycznych i fizycznych kwazikryształów, w tym teorii, jak i dlaczego tworzą się kwazikryształy oraz ich właściwości elastycznych i hydrodynamicznych .

Peter J. Lu i Steinhardt odkrył quasicrystalline islamskiego posadzka na Darb-e Imam Shrine (1453 AD) w Isfahanie , Iran zbudowanego z płytek girih . W 2007 roku rozszyfrowali sposób, w jaki wcześni artyści tworzyli coraz bardziej złożone okresowe wzory girih . Okazało się, że te wczesne projekty doprowadziły do ​​opracowania prawie doskonałego wzoru quasi- krystalicznego na pięć wieków przed odkryciem wzorów Penrose'a i teorii quasikrystalicznej Steinhardta-Levine'a.

Fotonika i hiperjednorodność

Badania Steinhardta nad quasikryształami i innymi niekrystalicznymi ciałami stałymi poszerzyły się o prace nad materiałami designerskimi o nowych właściwościach fotonicznych i fononicznych.

Fotoniczne kwazikryształy: Zespół naukowców, w tym Steinhardt, Paul Chaikin, Weining Man i Mischa Megens, zaprojektował i przetestował pierwszy fotoniczny kwazikryształ z symetrią dwudziestościenną w 2005 roku. Jako pierwsi zademonstrowali istnienie fotonicznych przerw wzbronionych ("PBG"). Materiały te blokują światło w skończonym zakresie częstotliwości (lub kolorów) i przepuszczają światło o częstotliwościach poza tym pasmem, podobnie jak półprzewodnik blokuje elektrony w skończonym zakresie energii.

Hiperjednorodne nieuporządkowane ciała stałe (HUDS): We współpracy z Salvatore Torquato i Marianem Florescu w 2009 Steinhardt odkrył nową klasę materiałów fotonicznych zwaną hiperjednorodnymi nieuporządkowanymi ciałami stałymi (HUDS) i wykazał, że ciała stałe składające się z hiperjednorodnego nieuporządkowanego układu elementów dielektrycznych wytwarzają przerwy wzbronione z idealna symetria sferyczna. Materiały te, które działają jak półprzewodniki izotropowe dla światła, mogą być wykorzystywane do kontrolowania i manipulowania światłem w szerokim zakresie zastosowań, w tym komunikacji optycznej , komputerów fotonicznych, zbierania energii, optyki nieliniowej i ulepszonych źródeł światła.

Phoamtonics: W 2019 roku Steinhardt wraz z Michaelem Klattem i Torquato wprowadzili ideę „foamtoniki”, która odnosi się do materiałów fotonicznych opartych na projektach przypominających piankę. Wykazali, że duże fotoniczne przerwy wzbronione mogą powstawać w strukturach sieciowych utworzonych przez przekształcenie krawędzi pianki (przecięcia między pęcherzykami pianki) w materiał dielektryczny dla dwóch najsłynniejszych krystalicznych struktur piankowych, pianek Kelvina i pianek Weiare-Phelana.

Etaphase Inc.: Przełomowe odkrycia metamateriałów dokonane przez Steinhardta i jego kolegów z Princeton mają cenne zastosowania komercyjne. W 2012 roku naukowcy pomogli stworzyć start-up o nazwie Etaphase, który zastosuje ich odkrycia do szerokiej gamy produktów o wysokiej wydajności. Wynalazki będą wykorzystywane w układach scalonych, materiałach konstrukcyjnych, fotonice, komunikacji, komunikacji chip-to-chip, komunikacji intra-chip, czujnikach, telekomunikacji danych, sieciach i zastosowaniach słonecznych.

Amorficzne ciała stałe

Badania Steinhardta nad nieuporządkowanymi formami materii skoncentrowały się na budowie i właściwościach szkieł i półprzewodników amorficznych oraz metali amorficznych .

Skonstruował pierwszy komputerowo wygenerowany model ciągłej sieci losowej (CRN) szkła i krzemu amorficznego w 1973 roku, będąc jeszcze studentem w Caltech . CRN pozostają dziś wiodącym modelem krzemu amorficznego i innych półprzewodników . Współpracując z Richardem Albenem i D. Weaire, wykorzystał model komputerowy do przewidywania właściwości strukturalnych i elektronicznych.

Pracując z Davidem Nelsonem i Marco Ronchetti, Steinhardt sformułował matematyczne wyrażenia, znane jako „orientacyjne parametry porządku”, służące do obliczania stopnia wyrównania wiązań międzyatomowych w cieczach i ciałach stałych w 1981 roku. Stosując je do komputerowych symulacji jednoatomowych przechłodzonych cieczy, wykazali, że atomy tworzą układy ze skończonym ikozaedrycznym porządkiem wiązań (podobnym do piłki nożnej) w miarę ochładzania się cieczy.

Honory i nagrody

Bibliografia