Paul Joseph Steinhardt (nacido el 25 de diciembre de 1952) es un físico teórico estadounidense cuyas principales investigaciones se centran en la cosmología y la física de la materia condensada. Actualmente es profesor de la cátedra Albert Einstein de Ciencias en la Universidad de Princeton , donde forma parte del cuerpo docente de los Departamentos de Física y de Ciencias Astrofísicas. [3]
Steinhardt es más conocido por su desarrollo de nuevas teorías sobre el origen, la evolución y el futuro del universo. También es conocido por su exploración de una nueva forma de materia, conocida como cuasicristales , que se creía que existían solo como materiales artificiales hasta que él codescubrió el primer cuasicristal natural conocido en una muestra de museo. [4] Posteriormente dirigió un equipo independiente que siguió ese descubrimiento con varios ejemplos más de cuasicristales naturales recuperados de las selvas de la península de Kamchatka en el extremo oriental de Rusia. Varios años después, él y sus colaboradores informaron sobre la síntesis accidental de un tipo previamente desconocido de cuasicristal en los restos de la primera prueba de bomba atómica el 16 de julio de 1945, en Alamagordo, Nuevo México. [5]
Ha escrito dos libros populares sobre estos temas. Endless Universe: Beyond the Big Bang (2007) , en coautoría con Neil Turok , describe las luchas iniciales para desafiar la teoría del Big Bang ampliamente aceptada y el desarrollo posterior de las teorías de rebote o cíclicas del universo, que actualmente se están explorando y probando. [6] The Second Kind of Impossible: The Extraordinary Quest for a New Form of Matter (2019) relata la historia de los cuasicristales desde su invención del concepto con su entonces estudiante Dov Levine , hasta su expedición al lejano oriente de Rusia para recuperar fragmentos de meteoritos que contienen granos de cuasicristales naturales formados hace miles de millones de años. [7]
Nacido en 1952, hijo de Helen y Charles Steinhardt, Paul Steinhardt es el segundo de cuatro hijos. Creció en Miami, Florida, donde asistió a la escuela secundaria Coral Gables Senior High School mientras asistía a clases en una universidad local. Steinhardt recibió su Licenciatura en Ciencias en Física en Caltech en 1974, y su Doctorado en Física en la Universidad de Harvard en 1978, donde su asesor fue Sidney Coleman . [1] Fue miembro junior de la Harvard Society of Fellows de 1978 a 1981; ascendió de profesor junior a profesor Mary Amanda Wood en la Universidad de Pensilvania entre 1981 y 1998, durante el cual mantuvo una asociación de largo plazo con el Centro de Investigación Thomas J. Watson ; y ha sido miembro del cuerpo docente de la Universidad de Princeton desde el otoño de 1998. Fue cofundador del Centro de Ciencias Teóricas de Princeton y se desempeñó como su Director de 2007 a 2019. [8]
A principios de la década de 1980, Steinhardt fue coautor de artículos fundamentales que ayudaron a sentar las bases de la cosmología inflacionaria .
Inflación de lento movimiento y generación de las semillas de las galaxias: En 1982, Steinhardt y Andreas Albrecht [9] (e, independientemente, Andrei Linde ) construyeron los primeros modelos inflacionarios que podían acelerar la expansión del universo lo suficiente para explicar la suavidad y planitud observadas del universo y luego "salir elegantemente" a la expansión más modesta observada hoy. [10] El artículo de Albrecht-Steinhardt fue el primero en notar el efecto de la fricción de Hubble en sostener la inflación por un período suficientemente largo (el efecto de "lento movimiento"), estableciendo el prototipo para la mayoría de los modelos inflacionarios posteriores.
La fricción de Hubble desempeñó un papel fundamental en el artículo de 1983 de James Bardeen, Steinhardt y Michael S. Turner [11], quienes fueron los primeros en introducir un método confiable e invariante de calibre relativista para calcular cómo las fluctuaciones cuánticas durante la inflación podrían generar naturalmente un espectro casi invariante de escala de fluctuaciones de densidad con una pequeña inclinación, propiedades que luego se demostró mediante observaciones del fondo cósmico de microondas que eran características de nuestro universo. Las fluctuaciones de densidad son semillas alrededor de las cuales se forman finalmente las galaxias. Cálculos contemporáneos de varios otros grupos obtuvieron conclusiones similares utilizando métodos menos rigurosos.
Inflación eterna y multiverso: En 1982, Steinhardt presentó el primer ejemplo de inflación eterna . [12] Finalmente se demostró que la inflación eterna era una característica genérica de los modelos inflacionarios que conduce a un multiverso , la ruptura del espacio en una multitud infinita de parches que abarcan un rango infinito de resultados en lugar del universo único, liso y plano, como se esperaba originalmente cuando se propuso por primera vez.
Aunque algunos cosmólogos más tarde aceptarían la idea del multiverso, Steinhardt expresó constantemente su preocupación de que esto destruye por completo el poder predictivo de la teoría que él ayudó a crear. Como la teoría inflacionaria conduce a un multiverso que permite todos los resultados posibles, argumentó Steinhardt, debemos concluir que la teoría inflacionaria en realidad no predice nada. [13] [14] [15]
Huella de las ondas gravitacionales en el fondo cósmico de microondas: En 1993, Robert Crittenden, Rick Davis, JR Bond, G. Efstathiou y Steinhardt realizaron los primeros cálculos de la huella completa de las ondas gravitacionales en los mapas de temperatura del modo B y en la polarización de la radiación de fondo de microondas en 1993. [16] [17]
A pesar de sus críticas a la idea, las principales contribuciones de Steinhardt a la teoría inflacionaria fueron reconocidas en 2002 cuando compartió el Premio Dirac con Alan Guth del MIT y Andrei Linde de Stanford . [18]
El problema de la improbabilidad: En 2013, Anna Ijjas, Abraham Loeb y Steinhardt se sumaron a las críticas en un par de artículos ampliamente discutidos de que el modelo inflacionario tenía muchas menos probabilidades de explicar nuestro universo de lo que se creía anteriormente. [19] [20]
Según su análisis de los resultados del satélite Planck de 2013, las probabilidades de obtener un universo que coincida con las observaciones después de un período de inflación son menores que una en un googolplex . [21] Steinhardt y su equipo denominaron al resultado el "problema de la improbabilidad". Los dos artículos también demostraron que los datos del satélite Planck descartaban lo que históricamente se había aceptado como los modelos inflacionarios más simples y que los modelos inflacionarios restantes requieren más parámetros, un ajuste más preciso de esos parámetros y condiciones iniciales más improbables. [19] [20]
En 2015, el problema de la disparidad se reafirmó y fortaleció con una ronda posterior de mediciones informadas por el equipo del satélite Planck.
Incompatibilidad con las conjeturas de cuerdas y pantanos: en 2018, Steinhardt, en colaboración con Prateek Agrawal, George Obieds y Cumrun Vafa, argumentó que la inflación también puede ser incompatible con la teoría de cuerdas porque los modelos inflacionarios generalmente violan las restricciones (a veces llamadas "conjeturas de pantanos") sobre lo que se requiere para que un modelo sea consistente con la gravedad cuántica. [22]
Motivado por lo que consideraba los fracasos de la teoría inflacionaria, incluido, entre otros, el multiverso, Steinhardt se convirtió en uno de los principales desarrolladores de una nueva clase de modelos cosmológicos que reemplazan el llamado big bang por un rebote y reemplazan la inflación por un período de contracción lenta que precede al rebote. La idea hipotética de que el universo comenzó con una explosión se basa en una extrapolación hacia atrás en el tiempo, suponiendo que las ecuaciones de la relatividad general de Einstein siguen siendo válidas a energías y temperaturas mucho mayores que las que se han probado hasta ahora.
Los teóricos generalmente coinciden en que, si hubo un big bang, en los instantes siguientes los efectos de la física cuántica deberían haber creado grandes fluctuaciones en el espacio-tiempo. Estas fluctuaciones habrían hecho que el espacio-tiempo se curvara y deformara y que la distribución de la energía se volviera muy desigual, todo lo cual es incoherente con lo que los experimentalistas observan cuando estudian el universo primitivo. De hecho, se observa que el universo es homogéneo. [23] La inflación se inventó originalmente para explicar la uniformidad que se observa en el universo. Pero no está claro cómo pasar de las condiciones sumamente desiguales creadas después de un big bang a un universo inflacionario e, incluso si se pudiera encontrar una solución, la teoría inflacionaria finalmente da como resultado un multiverso en lugar de un universo uniforme. [15]
El nuevo enfoque elimina por completo el estallido y prevé en su lugar una transición suave desde un período previo de contracción lenta hasta el período actual de expansión. Si la contracción es lenta, suaviza todo el universo y, a diferencia de la inflación, no hay multiverso. Al evadir el infame problema de la singularidad cósmica asociado con un big bang, un rebote evita los efectos de la gravedad cuántica que producen un universo no uniforme. Una extensión natural de estas ideas es un universo cíclico sin principio ni fin en el que las épocas de rebote, expansión y contracción se repiten a intervalos regulares.
En una conferencia fundamental en 2021, Steinhardt explicó por qué es hora de descartar la teoría del big bang y reemplazar el estallido con un "rebote": una transición suave desde la contracción a un universo denso y caliente que continúa expandiéndose y enfriándose. [24]
Desarrollo histórico
Primeros modelos con un gran crujido: En 2001, Steinhardt presentó los primeros ejemplos de estos modelos cíclicos y de rebote, denominados "ecpiróticos", en artículos con Justin Khoury, Burt A. Ovrut y Neil Turok. [25]
Estos modelos se basaban en la noción especulativa sugerida por la teoría de cuerdas de que el universo tiene dimensiones adicionales limitadas por "branas" (donde "brana" se deriva de "membrana", un objeto básico en la teoría de cuerdas). La violenta colisión y rebote de estas branas es comparable a un gran crujido, un evento violento que dependería sensiblemente de fuertes efectos de gravedad cuántica que aún no se han establecido y que pueden crear una tremenda curvatura y deformación del espacio-tiempo.
En principio, las colisiones pueden repetirse a intervalos regulares dando como resultado un universo cíclico. [15] En 2002, Steinhardt y Turok incorporaron la idea ecpirótica en una versión temprana de una teoría cíclica del universo. [26]
Modelos mejorados con contracción lenta y rebote suave: las versiones recientes de la cosmología de rebote desarrolladas por Anna Ijjas y Steinhardt introducen elementos que simplifican y resuelven problemas con la propuesta ecpirótica anterior. No requieren dimensiones adicionales ni branas ni teoría de cuerdas; se pueden utilizar campos ordinarios con energía potencial que evoluciona en el espacio-tiempo, similares a los modelos inflacionarios. [27]
En lugar de una violenta ekpirosis (la colisión de dos branas), el suavizado y aplanamiento del espacio-tiempo se produce mediante una “contracción lenta”, un período en el que el espacio se contrae muy poco mientras que el radio de Hubble se contrae mucho. Cuando se alcanza el rebote, el universo está “supersuavizado”. [28]
El rebote es una transición suave que se puede calcular por completo y que mantiene su suavidad porque es un proceso continuo que ocurre mucho antes de que los efectos de la gravedad cuántica se hagan fuertes. No existe un problema de singularidad cósmica, a diferencia de las teorías basadas en el big bang.
Suavizado universal y ultralocalidad: para poner a prueba estas ideas, Anna Ijjas adaptó a la cosmología las herramientas de la relatividad general numérica, inventadas originalmente para simular la fusión de agujeros negros y la emisión de ondas gravitacionales. Junto con Steinhardt y colaboradores, las nuevas herramientas se utilizaron para estudiar la efectividad de la contracción lenta. [28] [29] [30]
El estudio demuestra que la contracción lenta es una fase cosmológica supersuavizante que homogeneiza, isotropiza y aplana el universo tanto clásica como mecánicamente cuántico, y puede hacerlo de forma mucho más robusta y rápida de lo que se había pensado en estudios anteriores.
Partiendo de una condición inicial extremadamente irregular y con muchas curvas, los estudios verificaron que la contracción lenta suaviza prácticamente todo el espacio-tiempo debido a un efecto de la relatividad general conocido como ultralocalidad. [31] El efecto ultralocal es específico de un universo en contracción, y no tiene equivalente en un universo en expansión, incluido el caso de la inflación. El consiguiente poder de suavizado es una ventaja incomparable de la contracción lenta.
Versión cíclica de la cosmología de rebote: en la versión cíclica de estos modelos, el espacio nunca se comprime, sino que necesariamente crece por un factor constante en general de rebote en rebote cada 100 mil millones de años aproximadamente. Después de cada rebote, la energía gravitatoria se convierte en materia y radiación que alimenta el siguiente ciclo. Para un observador, la evolución parece ser cíclica porque la temperatura, la densidad, el número de estrellas y galaxias, etc., son en promedio los mismos de un cíclico al siguiente y el observador no puede ver lo suficientemente lejos como para saber que hay una cantidad cada vez mayor de espacio, materia y energía fuera del horizonte. El hecho de que el universo se expanda en general de ciclo en ciclo significa que la entropía producida en ciclos anteriores (por la formación de estrellas y otros procesos productores de entropía) se diluye cada vez más a medida que avanzan los ciclos y, por lo tanto, no tiene ningún efecto físico en la evolución cósmica. [27] Este crecimiento de ciclo a ciclo y la dilución de entropía asociada son características que distinguen estos nuevos modelos cíclicos de las versiones discutidas en la década de 1920 por Friedmann y Tolman, y explican cómo el nuevo modelo cíclico evita el "problema de la entropía" que aquejaba a las versiones anteriores.
Ventajas teóricas del nuevo modelo cíclico
Los nuevos modelos cíclicos tienen dos ventajas importantes sobre los modelos inflacionarios . En primer lugar, como no incluyen la inflación, no producen un multiverso. Como resultado, a diferencia de la inflación, los modelos cíclicos producen un único universo que en todas partes tiene las mismas propiedades predichas que están sujetas a pruebas empíricas. En segundo lugar, los modelos cíclicos explican por qué debe existir la energía oscura. Según estos modelos, la expansión acelerada causada por la energía oscura inicia el proceso de suavizado, la descomposición de la energía oscura en otras formas de energía inicia un período de contracción lenta, y la contracción lenta es la responsable de suavizar y aplanar el universo. [27]
Predicciones teóricas del nuevo modelo cíclico
Una predicción de los modelos cíclicos es que, a diferencia de la inflación, no se generan ondas gravitacionales detectables durante el proceso de suavizado y aplanamiento. El Observatorio Simons que se está construyendo en el desierto de Atacama, en Chile, pondrá a prueba esta predicción. En cambio, la predicción de los modelos cíclicos es que la única fuente de ondas gravitacionales en escalas de longitud de onda cósmicas son las llamadas "ondas gravitacionales secundarias" que se producen mucho después del rebote. Sus amplitudes son demasiado débiles para ser encontradas en los detectores actuales, pero en última instancia son detectables. Una segunda predicción es que la expansión acelerada actual debe detenerse finalmente y el vacío debe decaer finalmente para iniciar el siguiente ciclo. [27] (Otras predicciones dependen de los campos específicos (o branas) que causan la contracción).
Apoyo observacional al nuevo modelo cíclico
El modelo cíclico puede explicar naturalmente por qué la constante cosmológica es exponencialmente pequeña y positiva, comparada con el enorme valor esperado por las teorías de la gravedad cuántica . [32] La constante cosmológica podría comenzar grande, como se esperaba, pero luego podría decaer lentamente en el curso de muchos ciclos hasta el minúsculo valor observado hoy.
El descubrimiento del campo de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) puede proporcionar un respaldo adicional al modelo cíclico. [33] La evidencia del LHC sugiere que el vacío actual puede decaer en el futuro, según los cálculos realizados por Steinhardt, Turok e Itzhak Bars. El modelo cíclico requiere la desintegración del vacío actual para terminar la fase actual de expansión, contracción, rebote y comenzar una nueva era de expansión; el Higgs proporciona un posible mecanismo de desintegración que puede probarse. El campo de Higgs es un candidato viable para el campo que impulsa los ciclos de expansión y contracción, y esto puede ser en última instancia comprobable.
Steinhardt ha realizado contribuciones significativas investigando el "lado oscuro" del universo: la energía oscura , el problema de la constante cosmológica y la materia oscura .
Primera evidencia de aceleración cósmica: En 1995, Steinhardt y Jeremiah Ostriker utilizaron una concordancia de observaciones cosmológicas para demostrar que hoy debe haber un componente de energía oscura distinto de cero, más del 65 por ciento de la densidad total de energía, suficiente para provocar que la expansión del universo se acelere. [34] Esto se verificó tres años después mediante observaciones de supernovas en 1998. [35] [36] [37]
Quintaesencia: Trabajando con colegas, posteriormente introdujo el concepto de quintaesencia , una forma de energía oscura que varía con el tiempo. [38] Fue postulado por primera vez por el equipo de Steinhardt como una alternativa a la constante cosmológica, que es (por definición) constante y estática; la quintaesencia es dinámica. Su densidad de energía y presión evolucionan con el tiempo. El artículo de 2018 sobre conjeturas de pantanos con Agrawal, Obieds y Vafa [22] señala a la quintaesencia como la única opción para la energía oscura en la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica consistente.
Materia oscura autointeractuante: En 2000, David Spergel y Steinhardt introdujeron por primera vez el concepto de materia oscura fuertemente autointeractuante (SIDM) para explicar varias anomalías en los modelos oscuros fríos estándar basados en el supuesto de que la materia oscura consiste en partículas masivas que interactúan débilmente (también conocidas como "WIMP"). [39]
En 2014, Steinhardt, Spergel y Jason Pollack propusieron que una pequeña fracción de materia oscura podría tener autointeracciones ultra fuertes, que harían que las partículas se fusionaran rápidamente y colapsaran en semillas para los primeros agujeros negros supermasivos . [40]
Desarrollo de la teoría: En 1983, Steinhardt y su entonces estudiante Dov Levine introdujeron por primera vez el concepto teórico de cuasicristales en una divulgación de patente. [7] La teoría completa se publicó al año siguiente en un artículo titulado "Cuasicristales: una nueva clase de estructuras ordenadas". [41] La teoría proponía la existencia de una nueva fase de materia sólida análoga a los mosaicos de Penrose con simetrías rotacionales que anteriormente se creían imposibles para los sólidos. Steinhardt y Levine llamaron a la nueva fase de la materia "cuasicristal". La estructura atómica nunca antes vista tenía un ordenamiento atómico cuasiperiódico, en lugar del ordenamiento periódico característico de los cristales convencionales .
El primer ejemplo de un cuasicristal sintético que se ha descrito: Dan Shechtman , Ilan Blech, Denis Gratias y John Cahn, del National Bureau of Standards (NBS), que trabajaban simultáneamente con Steinhardt y Levine, pero de forma independiente, se centraron en un descubrimiento experimental que no podían explicar. Se trataba de una aleación inusual de manganeso y aluminio con un patrón de difracción de lo que parecían ser puntos afilados (aunque no perfectamente puntiagudos) dispuestos con simetría icosaédrica que no encajaban en ninguna estructura cristalina conocida. [42] La aleación se observó por primera vez en 1982, pero los resultados no se publicaron hasta noviembre de 1984, después de que se hubieran obtenido datos más convincentes. [7]
A Steinhardt y Levine se les mostró una versión preliminar del artículo del equipo de Shechtman y reconocieron inmediatamente que podría ser una prueba experimental de su teoría de cuasicristales aún no publicada. [7] La teoría, junto con la propuesta de que podría explicar la misteriosa estructura prohibida de la nueva aleación, se publicó en diciembre de 1984. [41]
Finalmente se descubrió que la nueva aleación era problemática. Resultó ser inestable y las imperfecciones observadas en el patrón de difracción permitieron múltiples explicaciones (incluida una sobre el maclado de cristales propuesta por Linus Pauling ) que fueron objeto de acalorados debates durante los siguientes años. [7] En 1987, An-Pang Tsai y su grupo de la Universidad Tohoku de Japón lograron un avance importante con la síntesis del primer cuasicristal icosaédrico estable . Tenía puntos de difracción nítidos dispuestos en estrecha concordancia con la teoría de cuasicristales de Steinhardt y Levine y era incompatible con cualquiera de las explicaciones alternativas. [43] El debate teórico terminó de manera efectiva y la teoría de Steinhardt-Levine ganó una amplia aceptación. [7]
El primer cuasicristal natural: En 1999, Steinhardt reunió a un equipo en la Universidad de Princeton para buscar un cuasicristal natural. El equipo, compuesto por Peter Lu, Ken Deffeyes y Nan Yao, ideó un nuevo algoritmo matemático para buscar en una base de datos internacional de patrones de difracción de polvo. [7] [44]
Durante los primeros ocho años, la búsqueda no arrojó resultados. En 2007, el científico italiano Luca Bindi , entonces conservador de la colección de minerales de la Université di Firenze, se unió al equipo. [7] Dos años más tarde, Bindi identificó un espécimen prometedor en el almacén de su museo. [4] El diminuto espécimen, de unos pocos milímetros de diámetro, había sido guardado en una caja etiquetada como " khatyrkite ", que es un cristal ordinario compuesto de cobre y aluminio. El 2 de enero de 2009, Steinhardt y Nan Yao, director del Centro de Imágenes de Princeton, examinaron el material e identificaron el patrón de difracción característico de un cuasicristal icosaédrico. Este fue el primer cuasicristal natural conocido . [4]
La Asociación Mineralógica Internacional aceptó el cuasicristal como un nuevo mineral y le designó el nombre de icosaedrita . [4] El material tenía exactamente la misma composición atómica (Al 63 Cu 24 Fe 13 ) que el primer cuasicristal termodinámicamente estable sintetizado por An-Pang Tsai y su grupo en su laboratorio en 1987.
Expedición a Chukotka: Dos años después de identificar la muestra del museo, Steinhardt organizó un equipo internacional de expertos y los dirigió en una expedición a su fuente, el remoto arroyo Listventovyi en el distrito autónomo de Chukotka , en la mitad norte de la península de Kamchatka, en el extremo oriental de Rusia. El equipo incluía a Bindi y a Valery Kryachko, el geólogo minero ruso que había encontrado las muestras originales de cristal de khatyrkite mientras trabajaba en el arroyo Listventovyi en 1979. [7]
Otros miembros del equipo fueron: Chris Andronicos, Vadim Distler, Michael Eddy, Alexander Kostin, Glenn MacPherson, Marina Yudovskaya y el hijo de Steinhardt, William Steinhardt. [7]
Después de excavar y lavar una tonelada y media de arcilla a lo largo de las orillas del arroyo Listvenitovyi en las montañas Koryak , se identificaron ocho granos diferentes que contenían icosaedrita. [7] Durante los años de estudio posteriores, el equipo de Steinhardt demostró que tanto la muestra encontrada en el museo de Florencia como las muestras recuperadas del campo en Chukotka se originaron a partir de un meteorito formado hace 4.500 millones de años (antes de que hubiera planetas), y aterrizó en la Tierra hace unos 15.000 años. [45]
Más cuasicristales naturales: Estudios posteriores revelaron otros minerales nuevos en las muestras de Chukotka. En 2014, se descubrió que uno de esos minerales era una fase cristalina de aluminio, níquel y hierro (Al38Ni33Fe30). Fue aceptado por la Asociación Mineralógica Internacional y se lo denominó "steinhardtita" en honor a Steinhardt [46]. En 2015, se descubrió un segundo tipo de cuasicristal natural en un grano diferente del mismo meteorito. Se descubrió que el segundo cuasicristal natural conocido era una mezcla diferente de aluminio, níquel y hierro (Al71Ni24Fe5) y tenía una simetría decagonal (un apilamiento regular de capas atómicas que tienen cada una simetría de 10 veces). Fue aceptado por la Asociación Mineralógica Internacional y se le dio el nombre de "decagonita". [47] [48]
También se descubrieron tres minerales cristalinos más, que recibieron el nombre de colegas que participaron en la investigación de cuasicristales de Steinhardt: "hollisterita", en honor al petrólogo de Princeton Lincoln Hollister; "kryachkoíta", en honor al geólogo ruso Valery Kryachko; y "stolperita", en honor al ex rector de Caltech, Ed Stolper. [7]
Un cuasicristal previamente desconocido creado por la primera prueba de bomba atómica: En 2021, Steinhardt dirigió el equipo que descubrió un nuevo cuasicristal icosaédrico creado por la detonación del primer dispositivo nuclear en Alamogordo, Nuevo México , el 16 de julio de 1945 (la prueba Trinity ). El nuevo cuasicristal fue descubierto dentro de una muestra de trinitita roja y es el cuasicristal antropogénico existente más antiguo jamás descubierto. [5] Se cree que la estructura previamente desconocida, que está hecha de hierro, silicio, cobre y calcio, se formó por la fusión de arena vaporizada del desierto y cables de cobre durante la explosión de la prueba atómica. [49] El descubrimiento de un cuasicristal único en trinitita podría transformar el campo de la ciencia forense nuclear , dando lugar a una nueva herramienta de diagnóstico [50] que podría ayudar a las fuerzas del orden a prevenir futuros ataques terroristas mediante el uso de cuasicristales (que a diferencia de los desechos y gases radiactivos no se desintegran) para identificar la firma de un arma atómica y rastrear a los culpables. [51]
Otras contribuciones al campo: Steinhardt y sus colaboradores han hecho contribuciones significativas para comprender las propiedades matemáticas y físicas únicas de los cuasicristales, [52] incluidas teorías de cómo y por qué se forman los cuasicristales [53] y sus propiedades elásticas e hidrodinámicas . [54]
Peter J. Lu y Steinhardt descubrieron un mosaico islámico cuasicristalino en el Santuario Darb-e Imam (1453 d. C.) en Isfahán , Irán, construido con mosaicos girih . [55] En 2007, descifraron la manera en que los primeros artistas crearon patrones girih periódicos cada vez más complejos . Se demostró que esos primeros diseños habían culminado en el desarrollo de un patrón cuasicristalino casi perfecto cinco siglos antes del descubrimiento de los patrones de Penrose y la teoría de cuasicristales de Steinhardt-Levine. [7]
La investigación de Steinhardt sobre cuasicristales y otros sólidos no cristalinos se expandió al trabajo en materiales de diseño con nuevas propiedades fotónicas y fonónicas.
Cuasicristales fotónicos: Un equipo de investigadores que incluía a Steinhardt, Paul Chaikin, Weining Man y Mischa Megens diseñó y probó el primer cuasicristal fotónico con simetría icosaédrica en 2005. Fueron los primeros en demostrar la existencia de brechas de banda fotónica ("PBG"). [56] Estos materiales bloquean la luz para un rango finito de frecuencias (o colores) y dejan pasar la luz con frecuencias fuera de esa banda, de manera similar a la forma en que un semiconductor bloquea los electrones para un rango finito de energías.
Sólidos desordenados hiperuniformes (HUDS): Trabajando con Salvatore Torquato y Marian Florescu, en 2009 Steinhardt descubrió una nueva clase de materiales fotónicos llamados sólidos desordenados hiperuniformes (HUDS), y demostró que los sólidos que consisten en una disposición desordenada hiperuniforme de elementos dieléctricos producen brechas de banda con simetría esférica perfecta. [57] [58] Estos materiales, que actúan como semiconductores isótropos para la luz, se pueden utilizar para controlar y manipular la luz en una amplia gama de aplicaciones, incluidas las comunicaciones ópticas , las computadoras fotónicas, la recolección de energía, la óptica no lineal y las fuentes de luz mejoradas.
Phoamtonics: En 2019, Steinhardt, junto con Michael Klatt y Torquato, introdujeron la idea de "phoamtonics", que se refiere a materiales fotónicos basados en diseños similares a la espuma. [59] Demostraron que podrían surgir grandes brechas de banda fotónicas en estructuras de red creadas al convertir los bordes de la espuma (intersecciones entre burbujas de espuma) en un material dieléctrico para las dos estructuras de espuma cristalina más famosas, las espumas Kelvin y las espumas Weiare-Phelan.
Etaphase Inc.: Los avances en metamateriales de Steinhardt y sus colegas de Princeton tienen valiosas aplicaciones comerciales. En 2012, los científicos ayudaron a crear una empresa emergente llamada Etaphase, que aplicará sus descubrimientos a una amplia gama de productos de alto rendimiento. Las invenciones se utilizarán en circuitos integrados, materiales estructurales, fotónica, comunicaciones, comunicaciones de chip a chip, comunicaciones dentro de un chip, sensores, comunicaciones de datos, redes y aplicaciones solares. [60] [61]
La investigación de Steinhardt en formas desordenadas de materia se ha centrado en la estructura y propiedades de los vidrios y semiconductores amorfos y los metales amorfos .
En 1973, cuando todavía era estudiante de grado en Caltech , construyó el primer modelo de red aleatoria continua (CRN) generado por computadora de vidrio y silicio amorfo . Las CRN siguen siendo el modelo líder de silicio amorfo y otros semiconductores en la actualidad. Trabajando con Richard Alben y D. Weaire, utilizó el modelo de computadora para predecir propiedades estructurales y electrónicas. [62] [63]
En 1981 , junto con David Nelson y Marco Ronchetti, Steinhardt formuló expresiones matemáticas conocidas como "parámetros de orden orientacional" para calcular el grado de alineación de los enlaces interatómicos en líquidos y sólidos . Al aplicarlas a simulaciones por computadora de líquidos superenfriados monatómicos, demostraron que los átomos forman disposiciones con un orden de orientación de enlaces icosaédricos (similares a los de una pelota de fútbol) de rango finito a medida que los líquidos se enfrían.