Paul Steinhardt- Paul Steinhardt
Paul Steinhardt | |
|---|---|
 | |
| Geboren |
Paul Joseph Steinhardt
25. Dezember 1952 |
| Staatsangehörigkeit | amerikanisch |
| Alma Mater | |
| Bekannt für | |
| Auszeichnungen | |
| Wissenschaftlicher Werdegang | |
| Felder |
Theoretische Physik Kosmologie Physik der kondensierten Materie |
| Institutionen | |
| These | Gittertheorie der SU(N) Flavour-Quantenelektrodynamik in (1 + 1)-Dimensionen (1978) |
| Doktoratsberater | Sidney R. Coleman |
| Andere Studienberater | |
| Doktoranden | |
| Webseite |
paulsteinhardt |
Paul Joseph Steinhardt (* 25. Dezember 1952) ist ein US-amerikanischer theoretischer Physiker, dessen Forschungsschwerpunkte in der Kosmologie und der Physik der kondensierten Materie liegen. Derzeit ist er Albert-Einstein-Professor für Naturwissenschaften an der Princeton University, wo er sowohl an den Fakultäten für Physik als auch für Astrophysikalische Wissenschaften tätig ist.
Steinhardt ist vor allem für seine Entwicklung neuer Theorien über den Ursprung, die Evolution und die Zukunft des Universums bekannt. Er ist auch bekannt für seine Erforschung einer neuen Form von Materie, bekannt als Quasikristalle , von denen man annahm , dass sie nur als künstliche Materialien existieren, bis er den ersten bekannten natürlichen Quasikristall in einer Museumsprobe mitentdeckte. Anschließend leitete er ein separates Team, das dieser Entdeckung mit mehreren weiteren Beispielen von natürlichen Quasikristallen folgte, die aus der Wildnis der Halbinsel Kamtschatka im fernen Osten Russlands geborgen wurden.
Zu diesen Themen hat er zwei populäre Bücher geschrieben. Endless Universe: Beyond the Big Bang (2007) , gemeinsam mit Neil Turok verfasst , beschreibt die frühen Kämpfe bei der Infragestellung der weithin akzeptierten Urknalltheorie und die anschließende Entwicklung der springenden oder zyklischen Theorien des Universums, die derzeit erforscht werden, und geprüft. The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter (2019) erzählt die Geschichte der Quasikristalle von seiner Erfindung des Konzepts mit seinem damaligen Studenten Dov Levine bis zu seiner Expedition in den fernen Osten Russlands, um Meteoritenfragmente mit natürlichen Quasikristallkörner haben sich vor Milliarden von Jahren gebildet.
Ausbildung und Karriere
Paul Steinhardt wurde als Sohn von Helen und Charles Steinhardt geboren und ist das zweitälteste von vier Kindern. Er wuchs in Miami, Florida auf, wo er die Coral Gables Senior High School besuchte und gleichzeitig Kurse an einer örtlichen Universität besuchte. Steinhardt erhielt 1974 seinen Bachelor of Science in Physik am Caltech und seinen Ph.D. in Physik an der Harvard University im Jahr 1978, wo sein Berater Sidney Coleman war . Von 1978 bis 1981 war er Junior Fellow der Harvard Society of Fellows ; stieg von 1981 bis 1998 von der Junior Faculty zur Mary Amanda Wood Professor an der University of Pennsylvania auf , während der er eine langfristige Verbindung mit dem Thomas J. Watson Research Center unterhielt ; und ist seit Herbst 1998 Fakultätsmitglied der Princeton University . Er war Mitbegründer des Princeton Center for Theoretical Science und war von 2007 bis 2019 dessen Direktor.
Forschung
Inflationäre Kosmologie
Ab den frühen 1980er Jahren war Steinhardt Co-Autor bahnbrechender Arbeiten, die dazu beitrugen, die Grundlagen der inflationären Kosmologie zu legen .
Slow-Roll-Inflation und Erzeugung der Keime für Galaxien: 1982 konstruierten Steinhardt und Andreas Albrecht (und unabhängig davon Andrei Linde ) die ersten inflationären Modelle, die die Expansion des Universums ausreichend beschleunigen konnten, um die beobachtete Glätte und Flachheit von . zu erklären das Universum und dann "anmutig verlassen" zu der bescheideneren Expansion, die heute beobachtet wird. Das Albrecht-Steinhardt-Papier war das erste, das die Wirkung der Hubble-Reibung bei der Aufrechterhaltung der Inflation über einen ausreichend langen Zeitraum (den „Slow-Roll“-Effekt) feststellte und den Prototyp für die meisten nachfolgenden Inflationsmodelle bildete.
Hubble-Reibung spielte eine entscheidende Rolle in dem 1983 erschienenen Artikel von James Bardeen, Steinhardt und Michael S. Turner, die als erste eine zuverlässige, relativistisch eichinvariante Methode vorstellten, um zu berechnen, wie Quantenfluktuationen während der Inflation auf natürliche Weise ein nahezu skaleninvariantes Dichtespektrum erzeugen könnten Fluktuationen mit einer kleinen Neigung, Eigenschaften, die später durch Beobachtungen des kosmischen Mikrowellenhintergrunds als Merkmale unseres Universums gezeigt wurden. Die Dichtefluktuationen sind Keime, um die sich schließlich Galaxien bilden. Gleichzeitige Berechnungen mehrerer anderer Gruppen kamen mit weniger strengen Methoden zu ähnlichen Schlussfolgerungen.
Ewige Inflation und das Multiversum: 1982 präsentierte Steinhardt das erste Beispiel ewiger Inflation . Schließlich stellte sich heraus, dass die unendliche Inflation ein generisches Merkmal inflationärer Modelle ist, das zu einem Multiversum führt , der Aufteilung des Raums in eine unendliche Vielzahl von Flecken, die eine unendliche Bandbreite von Ergebnissen überspannen, anstelle des einzigen glatten und flachen Universums, wie ursprünglich gehofft, als zuerst vorgeschlagen.
Obwohl einige Kosmologen später das Multiversum annahmen, drückte Steinhardt immer wieder seine Besorgnis aus, dass es die Vorhersagekraft der Theorie, die er mitentwickelt hat, völlig zerstört. Da die Inflationstheorie zu einem Multiversum führt, das jedes mögliche Ergebnis zulässt, argumentiert Steinhardt, müssen wir schlussfolgern, dass die Inflationstheorie tatsächlich nichts vorhersagt.
Abdruck von Gravitationswellen auf dem kosmischen Mikrowellenhintergrund: 1993 führten Robert Crittenden, Rick Davis, JR Bond, G. Efstathiou und Steinhardt die ersten Berechnungen zum vollständigen Abdruck von Gravitationswellen auf den B-Mode- Temperaturkarten und zur Polarisation von die Mikrowellen-Hintergrundstrahlung im Jahr 1993.
Trotz seiner Kritik an der Idee wurden Steinhardts wichtige Beiträge zur Inflationstheorie 2002 gewürdigt, als er sich den Dirac-Preis mit Alan Guth vom MIT und Andrei Linde von Stanford teilte .
Das Problem der Unwahrscheinlichkeit: 2013 ergänzten Anna Ijjas, Abraham Loeb und Steinhardt in einem vieldiskutierten Paper-Paar die Kritik, dass das inflationäre Modell unser Universum viel weniger erklären könne als bisher angenommen.
Laut ihrer Analyse der Ergebnisse des Planck-Satelliten 2013 sind die Chancen, nach einer Inflationsphase ein den Beobachtungen entsprechendes Universum zu erhalten, geringer als eins in einem Googolplex . Steinhardt und sein Team nannten das Ergebnis das „Unwahrscheinlichkeitsproblem“. Die beiden Papiere zeigten auch, dass Planck-Satellitendaten die historisch als einfachsten Inflationsmodelle akzeptierten Modelle ausschlossen und dass die verbleibenden Inflationsmodelle mehr Parameter, eine genauere Feinabstimmung dieser Parameter und unwahrscheinlichere Anfangsbedingungen erfordern.
Im Jahr 2015 wurde das Ungleichheitsproblem erneut bestätigt und durch eine anschließende Messrunde des Planck-Satellitenteams verstärkt.
Inkompatibilität mit den String-Sumpfland-Vermutungen: Im Jahr 2018 argumentierte Steinhardt in Zusammenarbeit mit Prateek Agrawal, George Obieds und Cumrun Vafa, dass Inflation auch mit der String-Theorie unvereinbar sein könnte, weil inflationäre Modelle im Allgemeinen gegen Beschränkungen verstoßen (manchmal als „Sumpfland-Vermutungen“ bezeichnet). ) darüber, was erforderlich ist, damit ein Modell mit der Quantengravitation konsistent ist.
Prellen und zyklische Kosmologie
Motiviert durch das, was er als Versagen der Inflationstheorie ansah, wurde Steinhardt zu einem führenden Entwickler einer neuen Klasse kosmologischer Modelle, die den sogenannten Urknall durch einen Sprung ersetzten. Die neue Theorie sieht einen reibungslosen Übergang von einer vorherigen Phase der Kontraktion in die aktuelle Phase der Expansion vor, wobei keine Inflation erforderlich ist und das berüchtigte Problem der kosmischen Singularität, das mit einem Urknall verbunden ist, umgangen wird. Eine natürliche Erweiterung dieser Ideen ist ein niemals beginnendes und niemals endendes zyklisches Universum, in dem sich Epochen des Aufpralls, der Expansion und der Kontraktion in regelmäßigen Abständen wiederholen.
Frühe Modelle: Die ersten Beispiele dieser springenden und zyklischen Modelle, die als "ekpyrotisch" bezeichnet werden, wurden 2001 in Papieren von Justin Khoury, Burt A. Ovrut und Neil Turok vorgestellt.
Das erste Modell basierte auf der spekulativen Vorstellung der Stringtheorie, dass das Universum Extra-Dimensionen hat, die durch „Brane“ begrenzt sind (wobei „Brane“ von „Membran“ abgeleitet wird, einem grundlegenden Objekt der Stringtheorie). Der Aufprall entsprach der Kollision und dem Rückprall dieser Branen. Der Abprall (d. h. Brankollision) wäre ein heftiges Ereignis, das empfindlich von noch nicht etablierten Quantengravitationseffekten abhängen würde. Im Jahr 2002 haben Steinhardt und Turok dann die ekpyrotische Idee in einen kühneren Vorschlag eingearbeitet: eine frühe Version einer zyklischen Theorie des Universums.
Das neue zyklische Modell: Neuere Versionen von Anna Ijjas und Steinhardt benötigen keine zusätzlichen Dimensionen oder Branes oder Stringtheorie; gewöhnliche Felder mit potentieller Energie, die sich in der Raumzeit entwickeln, ähnlich inflationären Modellen, können verwendet werden. Darüber hinaus ist der Sprung ein sanfter Übergang, der vollständig berechnet werden kann, da er auftritt, lange bevor Quantengravitationseffekte wichtig werden. Im Gegensatz zu Theorien, die auf dem Urknall basieren, gibt es kein kosmisches Singularitätsproblem.
In der zyklischen Version dieser Modelle knirscht der Raum nie; vielmehr wächst es notwendigerweise alle 100 Milliarden Jahre oder so insgesamt von Sprung zu Sprung. Nach jedem Aufprall wird die Gravitationsenergie in Materie und Strahlung umgewandelt, die den nächsten Zyklus antreibt. Für einen Beobachter scheint die Entwicklung zyklisch zu sein, da Temperatur, Dichte, Anzahl der Sterne und Galaxien usw. im Durchschnitt von einem Zyklus zum nächsten gleich sind und der Beobachter nicht weit genug sehen kann, um zu wissen, dass es mehr Raum gibt . Die Tatsache, dass sich das Universum insgesamt von Zyklus zu Zyklus ausdehnt, bedeutet, dass die in früheren Zyklen (durch Sternentstehung und andere entropieerzeugende Prozesse) erzeugte Entropie im Verlauf der Zyklen zunehmend verdünnt wird und somit keinen physikalischen Einfluss auf die kosmische Entwicklung hat . Dieses Wachstum von Zyklus zu Zyklus und die damit verbundene Entropieverdünnung sind Merkmale, die diese neuen zyklischen Modelle von Versionen unterscheiden, die in den 1920er Jahren von Friedmann und Tolman diskutiert wurden, und erklären, wie das neue zyklische Modell das „Entropieproblem“ vermeidet, das die früheren Versionen bedrängte.
Vorteile: Zyklische Modelle haben gegenüber inflationären Modellen zwei wichtige Vorteile . Erstens erzeugen sie kein Multiversum, weil sie die Inflation nicht einschließen. Infolgedessen erzeugen zyklische Modelle im Gegensatz zur Inflation ein einziges Universum, das überall die gleichen vorhergesagten Eigenschaften aufweist, die empirischen Tests unterzogen werden. Zweitens erklären zyklische Modelle, warum es dunkle Energie geben muss. Gemäß diesen Modi startet die beschleunigte Expansion, die durch dunkle Energie verursacht wird, den Glättungsprozess, der Zerfall der dunklen Energie in andere Energieformen startet eine Phase langsamer Kontraktion, und die langsame Kontraktion ist für die Glättung und Abflachung des Universums verantwortlich.
Vorhersagen: Eine Vorhersage der zyklischen Modelle ist, dass im Gegensatz zur Inflation während des Glättungs- und Abflachungsprozesses keine nachweisbaren Gravitationswellen erzeugt werden. Stattdessen sind die einzigen Quellen von Gravitationswellen auf kosmischen Wellenlängenskalen sogenannte „sekundäre Gravitationswellen“, die lange nach dem Abprall mit Amplituden erzeugt werden, die viel zu schwach sind, um in aktuellen Detektoren gefunden, aber letztendlich nachweisbar zu sein. Eine zweite Vorhersage ist, dass die gegenwärtige Beschleunigungsexpansion irgendwann aufhören muss und das Vakuum schließlich abgebaut werden muss, um den nächsten Zyklus einzuleiten. (Andere Vorhersagen hängen von den spezifischen Feldern (oder Branes) ab, die die Kontraktion verursachen.)
Das zyklische Modell kann natürlich erklären, warum die kosmologische Konstante exponentiell klein und positiv ist, verglichen mit dem enormen Wert, den die Quantengravitationstheorien erwarten . Die kosmologische Konstante könnte wie erwartet groß beginnen, dann aber im Laufe vieler Zyklen langsam auf den heute beobachteten winzigen Wert abfallen.
Die Entdeckung des Higgs-Feldes am Large Hadron Collider (LHC) könnte das zyklische Modell zusätzlich unterstützen. Nach Berechnungen von Steinhardt, Turok und Itzhak Bars deuten Beweise des LHC darauf hin, dass das derzeitige Vakuum in Zukunft zerfallen könnte. Der Abbau des gegenwärtigen Vakuums wird vom zyklischen Modell benötigt, um die aktuelle Phase der Expansion, Kontraktion, Bounce und einer neuen Ära der Expansion zu beenden; Higgs liefert einen möglichen Zerfallsmechanismus, der getestet werden kann. Das Higgs-Feld ist ein brauchbarer Kandidat für das Feld, das die Expansions- und Kontraktionszyklen antreibt.
Dunkle Energie und Dunkle Materie: Steinhardt hat bedeutende Beiträge zur Erforschung der "dunklen Seite" des Universums geleistet: Dunkle Energie , das kosmologische Konstantenproblem und Dunkle Materie .
Erste Hinweise auf kosmische Beschleunigung: 1995 nutzten Steinhardt und Jeremiah Ostriker eine Konkordanz kosmologischer Beobachtungen, um zu zeigen, dass heute eine dunkle Energiekomponente ungleich Null vorhanden sein muss, mehr als 65 Prozent der Gesamtenergiedichte, die ausreicht, um die Ausdehnung der Universum zu beschleunigen. Dies wurde drei Jahre später durch Supernova-Beobachtungen im Jahr 1998 bestätigt.
Quintessence: In Zusammenarbeit mit Kollegen führte er anschließend das Konzept der Quintessenz ein , einer Form dunkler Energie, die sich mit der Zeit ändert. Es wurde zuerst von Steinhardts Team als Alternative zur kosmologischen Konstante postuliert, die (per Definition) konstant und statisch ist; Quintessenz ist dynamisch. Seine Energiedichte und sein Druck entwickeln sich mit der Zeit. Das Papier von 2018 über Sumpfland-Vermutungen mit Agrawal, Obieds und Vafa weist darauf hin, dass Quintessenz die einzige Option für dunkle Energie in der Stringtheorie und konsistenter Quantengravitation ist.
Selbstinteraktive Dunkle Materie: Im Jahr 2000 führten David Spergel und Steinhardt zum ersten Mal das Konzept der stark selbstinteragierenden Dunklen Materie (SIDM) ein, um verschiedene Anomalien in Standardmodellen der kalten Dunklen zu erklären, basierend auf der Annahme, dass Dunkle Materie aus schwach wechselwirkenden massiven Teilchen besteht (auch als als "WIMPs")
2014 haben Steinhardt, Spergel und Jason Pollack vorgeschlagen, dass ein kleiner Teil der Dunklen Materie ultrastarke Selbstwechselwirkungen haben könnte, die dazu führen würden, dass die Teilchen schnell zusammenwachsen und zu Keimen für frühe supermassive Schwarze Löcher kollabieren .
Quasikristalle
Entwicklung der Theorie: 1983 stellten Steinhardt und sein damaliger Student Dov Levine das theoretische Konzept der Quasikristalle erstmals in einer Patentoffenbarung vor. Die vollständige Theorie wurde im folgenden Jahr in einem Artikel mit dem Titel "Quasikristalle: Eine neue Klasse geordneter Strukturen" veröffentlicht. Die Theorie schlug die Existenz einer neuen Festkörperphase analog zu Penrose-Kacheln mit Rotationssymmetrien vor, die zuvor für Festkörper als unmöglich galten. Steinhardt und Levine nannten die neue Phase der Materie einen "Quasikristall". Die nie zuvor gesehene atomare Struktur hatte quasiperiodic atomare Ordnung, anstatt die periodische Anordnung charakteristisch für herkömmliche Kristalle .
Die neue Theorie kippte 200 Jahre wissenschaftliches Dogma und bewies, dass Quasikristalle alle bisher akzeptierten mathematischen Theoreme über die Symmetrie der Materie verletzen können. Symmetrien, die einst für Festkörper als verboten galten, sind für Quasikristalle tatsächlich möglich, einschließlich Festkörpern mit Achsen fünfzähliger Symmetrie und dreidimensionaler Ikosaeder- Symmetrie.
Der erste synthetische Quasikristall: Gleichzeitig, aber unabhängig von Steinhardt und Levine, konzentrierten sich Dan Shechtman , Ilan Blech, Denis Gratias und John Cahn vom National Bureau of Standards (NBS) auf eine experimentelle Entdeckung, die sie nicht erklären konnten. Es war eine ungewöhnliche Legierung aus Mangan und Aluminium mit einem Beugungsmuster aus scheinbar scharfen (wenn auch nicht perfekt punktförmigen) Punkten, die mit ikosaedrischer Symmetrie angeordnet waren und zu keiner bekannten Kristallstruktur passten. Die Legierung wurde erstmals 1982 erwähnt, aber die Ergebnisse wurden erst im November 1984 veröffentlicht, nachdem überzeugendere Daten erhalten worden waren.
Steinhardt und Levine wurde ein Vorabdruck der Arbeit des Shechtman-Teams gezeigt und sie erkannten sofort, dass dies ein experimenteller Beweis für ihre noch unveröffentlichte Quasikristalltheorie sein könnte. Die Theorie wurde zusammen mit dem Vorschlag, die mysteriöse, verbotene Struktur der neuen Legierung erklären zu können, im Dezember 1984 veröffentlicht.
Die neue Legierung erwies sich schließlich als problematisch. Es erwies sich als instabil und die festgestellten Unvollkommenheiten im Beugungsmuster ermöglichten mehrere Erklärungen (einschließlich einer von Linus Pauling vorgeschlagenen Kristallzwillingsbildung ), die in den nächsten Jahren heiß diskutiert wurden. 1987 gelang An-Pang Tsai und seiner Gruppe an der japanischen Tohoku-Universität mit der Synthese des allerersten stabilen ikosaedrischen Quasikristalls ein wichtiger Durchbruch . Es hatte scharfe Beugungsflecken, die in enger Übereinstimmung mit der Quasikristalltheorie von Steinhardt und Levine angeordnet waren und mit keiner der alternativen Erklärungen vereinbar waren. Die theoretische Debatte wurde erfolgreich beendet und die Steinhardt-Levine-Theorie fand breite Akzeptanz.
Der erste natürliche Quasikristall: 1999 stellte Steinhardt ein Team an der Princeton University zusammen , um nach einem natürlichen Quasikristall zu suchen. Das Team, bestehend aus Peter Lu, Ken Deffeyes und Nan Yao, entwickelte einen neuartigen mathematischen Algorithmus, um eine internationale Datenbank von Pulverbeugungsmustern zu durchsuchen.
In den ersten acht Jahren ergab die Suche keine Ergebnisse. 2007 trat der italienische Wissenschaftler Luca Bindi , damals Kurator der Mineraliensammlung der Universite' di Firenze, dem Team bei. Zwei Jahre später identifizierte Bindi im Lagerraum seines Museums ein vielversprechendes Exemplar. Das winzige Exemplar mit einem Durchmesser von wenigen Millimetern war in einer Kiste mit der Aufschrift „ Khatyrkit “ verpackt , einem gewöhnlichen Kristall aus Kupfer und Aluminium. Am 2. Januar 2009 untersuchten Steinhardt und Nan Yao, Direktor des Princeton Imaging Center, das Material und identifizierten das charakteristische Beugungsmuster eines ikosaedrischen Quasikristalls. Dies war der erste bekannte natürliche Quasikristall .
Die International Mineralogical Association akzeptierte den Quasikristall als neues Mineral und nannte seinen Namen Ikosaedrit . Das Material hatte exakt die gleiche atomare Zusammensetzung (Al 63 Cu 24 Fe 13 ) wie der erste thermodynamisch stabile Quasikristall, der 1987 von An-Pang Tsai und seiner Gruppe in ihrem Labor synthetisiert wurde.
Expedition nach Tschukotka: Zwei Jahre nach der Identifizierung der Museumsprobe organisierte Steinhardt ein internationales Expertenteam und führte es zu seiner Quelle, dem abgelegenen Listventovyi-Fluss im Autonomen Kreis Tschukotka in der nördlichen Hälfte der Halbinsel Kamtschatka im fernen Osten Russlands . Zum Team gehörten Bindi und Valery Kryachko, der russische Erzgeologe, der 1979 während seiner Arbeit am Listventovyi-Fluss die ursprünglichen Proben von Khatyrkit-Kristall gefunden hatte.
Weitere Mitglieder des Teams waren: Chris Andronicos, Vadim Distler, Michael Eddy, Alexander Kostin, Glenn MacPherson, Marina Yudovskaya und Steinhardts Sohn William Steinhardt.
Nach dem Graben und Waschen von eineinhalb Tonnen Ton entlang der Ufer des Listvenitovyi-Bachs im Koryak-Gebirge wurden acht verschiedene Körner identifiziert, die Ikosaedrit enthalten. In den folgenden Studienjahren bewies Steinhardts Team, dass sowohl die im Museum von Florenz gefundene Probe als auch die aus dem Feld in Chukotka geborgenen Proben von einem Meteoriten stammten, der vor 4,5 Milliarden Jahren gebildet wurde (bevor es Planeten gab) und etwa 15.000 . auf der Erde landete vor Jahren.
Mehr natürliche Quasikristalle: Weitere Studien zeigten weitere neue Mineralien in den Chukotka-Proben. Im Jahr 2014 wurde eines dieser Mineralien als kristalline Phase aus Aluminium, Nickel und Eisen (Al38Ni33Fe30) entdeckt. Er wurde von der International Mineralogical Association akzeptiert und zu Ehren Steinhardts "steinhardtite" genannt. Im Jahr 2015 wurde ein zweiter Typ natürlicher Quasikristalle in einem anderen Korn desselben Meteoriten entdeckt. Der zweite bekannte natürliche Quasikristall war eine andere Mischung aus Aluminium, Nickel und Eisen (Al71Ni24Fe5) und hatte eine dekagonale Symmetrie (eine regelmäßige Stapelung von Atomschichten mit jeweils 10-facher Symmetrie). Es wurde von der International Mineralogical Association akzeptiert und erhielt den Namen "Dekagonit".
Drei weitere kristalline Mineralien wurden ebenfalls entdeckt und nach Kollegen benannt, die an Steinhardts Quasikristallforschung beteiligt waren: „Hollisterit“ für den Petrologen Lincoln Hollister aus Princeton; „Kryachkoit“ für den russischen Geologen Valery Kryachko; und „Stolperit“ für Caltechs ehemaligen Propst Ed Stolper.
Der erste Quasikristall, der beim ersten Atombombentest gefunden wurde: Im Jahr 2021 leitete Steinhardt das Team, das einen neuartigen ikosaedrischen Quasikristall entdeckte, der durch die Detonation der ersten Atombombe in Alamogordo, New Mexico , am 16. Juli 1945 ( Trinity- Test) entstand. Der neue Quasikristall wurde in einer Probe von rotem Trinitit entdeckt und ist der älteste erhaltene anthropogene Quasikristall, der jemals entdeckt wurde. Die bisher unbekannte Struktur aus Eisen, Silizium, Kupfer und Kalzium soll durch die Verschmelzung von verdampftem Wüstensand und Kupferkabeln während der atomaren Testexplosion entstanden sein. Die Entdeckung eines einzigartigen Quasikristalls in Trinitit könnte das Gebiet der nuklearen Forensik verändern und zu einem neuen Diagnosewerkzeug führen, das den Strafverfolgungsbehörden helfen könnte, zukünftige Terroranschläge zu verhindern, indem Quasikristalle (die im Gegensatz zu radioaktiven Trümmern und Gasen nicht zerfallen) zur Identifizierung der Signatur von eine Atomwaffe und spüren die Täter auf.
Weitere Beiträge auf diesem Gebiet: Steinhardt und seine Mitarbeiter haben bedeutende Beiträge zum Verständnis der einzigartigen mathematischen und physikalischen Eigenschaften der Quasikristalle geleistet, einschließlich Theorien darüber, wie und warum Quasikristalle entstehen und ihre elastischen und hydrodynamischen Eigenschaften.
Peter J. Lu und Steinhardt entdeckten eine quasikristallin islamischen Fliesen auf dem Darb-e Imam - Schrein (1453 AD) in Isfahan , Iran , hergestellt aus girih Fliesen . 2007 entschlüsselten sie die Art und Weise, wie frühe Künstler immer komplexere periodische girih- Muster schufen . Diese frühen Entwürfe wurden gezeigt in der Entwicklung eines nahezu perfekten quasi- gipfelte haben kristalline Muster fünf Jahrhunderte vor der Entdeckung des Penrose - Musters und die Steinhardt-Levine Quasikristalle Theorie.
Photonik und Hyperuniformität
Steinhardts Forschung zu Quasikristallen und anderen nichtkristallinen Festkörpern erweiterte sich auf die Arbeit an Designermaterialien mit neuartigen photonischen und phononischen Eigenschaften.
Photonische Quasikristalle: Ein Forscherteam um Steinhardt, Paul Chaikin, Weining Man und Mischa Megens entwarf und testete 2005 den ersten photonischen Quasikristall mit Ikosaeder-Symmetrie . Sie waren die ersten, die die Existenz von photonischen Bandlücken ("PBGs") nachweisen konnten. Diese Materialien blockieren Licht für einen endlichen Frequenzbereich (oder Farben) und lassen Licht mit Frequenzen außerhalb dieses Bandes durch, ähnlich wie ein Halbleiter Elektronen für einen endlichen Energiebereich blockiert.
Hyperuniform Disordered Solids (HUDS): In Zusammenarbeit mit Salvatore Torquato und Marian Florescu entdeckte Steinhardt 2009 eine neue Klasse photonischer Materialien namens hyperuniform Disored Solids (HUDS) und zeigte, dass Festkörper, die aus einer hyperuniform ungeordneten Anordnung dielektrischer Elemente bestehen, Bandlücken mit perfekte Kugelsymmetrie. Diese Materialien, die als isotrope Halbleiter für Licht wirken, können verwendet werden, um Licht in einer Vielzahl von Anwendungen zu steuern und zu manipulieren, einschließlich optischer Kommunikation , photonischer Computer, Energiegewinnung, nichtlinearer Optik und verbesserter Lichtquellen.
Phoamtonics: 2019 führte Steinhardt zusammen mit Michael Klatt und Torquato die Idee der „Phamtonics“ ein, die sich auf photonische Materialien bezieht, die auf schaumartigen Designs basieren. Sie zeigten, dass große photonische Bandlücken in Netzwerkstrukturen entstehen können, die durch die Umwandlung der Schaumkanten (Schnittpunkte zwischen Schaumblasen) in ein dielektrisches Material für die beiden bekanntesten kristallinen Schaumstrukturen, Kelvin-Schäume und Weiare-Phelan-Schäume, entstehen.
Etaphase Inc.: Die Metamaterial -Durchbrüche von Steinhardt und seinen Princeton-Kollegen haben wertvolle kommerzielle Anwendungen. Im Jahr 2012 halfen die Wissenschaftler, ein Start-up-Unternehmen namens Etaphase zu gründen, das ihre Entdeckungen auf eine breite Palette von Hochleistungsprodukten anwenden wird. Die Erfindungen werden in integrierten Schaltkreisen, Strukturmaterialien, Photonik, Kommunikation, Chip-zu-Chip-Kommunikation, Intra-Chip-Kommunikation, Sensoren, Datenkommunikation, Netzwerken und Solaranwendungen verwendet.
Amorphe Feststoffe
Steinhardts Forschung zu ungeordneten Materieformen konzentrierte sich auf die Struktur und Eigenschaften von Gläsern und amorphen Halbleitern sowie amorphen Metallen .
Er konstruierte 1973 das erste computergenerierte Continuous Random Network (CRN)-Modell aus Glas und amorphem Silizium , während er noch am Caltech studierte . CRNs bleiben bis heute das führende Modell für amorphes Silizium und andere Halbleiter . In Zusammenarbeit mit Richard Alben und D. Weaire nutzte er das Computermodell, um strukturelle und elektronische Eigenschaften vorherzusagen.
In Zusammenarbeit mit David Nelson und Marco Ronchetti formulierte Steinhardt 1981 mathematische Ausdrücke, die als "Orientational Order Parameters" bekannt sind, um den Grad der Ausrichtung interatomarer Bindungen in Flüssigkeiten und Festkörpern zu berechnen. In ihrer Anwendung auf Computersimulationen einatomiger unterkühlter Flüssigkeiten zeigten sie, dass die Atome bilden beim Abkühlen von Flüssigkeiten Anordnungen mit ikosaedrischer (fußballähnlicher) Bindungsordnung mit endlicher Reichweite .
Ehren und Auszeichnungen
- 1986 wurde Steinhardt in Anerkennung seiner Beiträge zur Kosmologie und zum theoretischen Verständnis von Quasikristallen zum Fellow der American Physical Society gewählt.
- 1994 wurde er zum Guggenheim Fellow ernannt.
- 1998 wurde er in die National Academy of Sciences der Vereinigten Staaten gewählt .
- 2002 wurde Steinhardt für seine Arbeiten zum inflationären Modell des Universums mit der PAM Dirac Medal des International Center for Theoretical Physics ausgezeichnet . Er teilte sich die Auszeichnung mit Alan Guth vom MIT und Andrei Linde von Stanford.
- 2010 erhielt Steinhardt den Oliver E. Buckley Condensed Matter Prize der American Physical Society für seine bahnbrechenden Beiträge zur Theorie der Quasikristalle .
- 2012 erhielt er den John Scott Award für seine Arbeiten zu Quasikristallen.
- 2012 wurde Steinhardt zum Simons Fellow in Theoretical Physics und zum Radcliffe Fellow am Radcliffe Institute for Advanced Study in Harvard ernannt.
- 2014 erhielt er den Caltech Distinguished Alumni Award.
- Im Jahr 2014 nahm die International Mineralogical Association ein neues Mineral aus dem Khatyrka- Meteoriten in den offiziellen Katalog der natürlichen Mineralien auf und nannte es ihm zu Ehren „ Steinhardtit “.
- 2018 teilte er sich mit Luca Bindi den Aspen Institute Italia Award für wissenschaftliche Forschung und Zusammenarbeit zwischen Italien und den Vereinigten Staaten.