Paul Joseph Steinhardt (nacido el 25 de diciembre de 1952) es un físico teórico estadounidense cuya principal investigación es la cosmología y la física de la materia condensada. Actualmente es profesor 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 mejor 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 pensaba que existían sólo como materiales fabricados por el hombre hasta que co-descubrió 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 zonas salvajes de la península de Kamchatka, en el extremo oriental de Rusia. Varios años más tarde, él y sus colaboradores informaron de la síntesis accidental de un tipo de cuasicristal previamente desconocido 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 primeras luchas para desafiar la teoría del Big Bang ampliamente aceptada y el desarrollo posterior de las teorías cíclicas o de rebote del universo, que actualmente se están explorando y probado. [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 un meteorito. Fragmentos que contienen granos de cuasicristal naturales se formaron hace miles de millones de años. [7]
Nacido en 1952 de Helen y Charles Steinhardt, Paul Steinhardt es el segundo mayor de cuatro hermanos. Creció en Miami, Florida, donde asistió a Coral Gables Senior High School mientras asistía a clases en una universidad local. Steinhardt recibió su Licenciatura en Física en Caltech en 1974 y su Ph.D. en Física en la Universidad de Harvard en 1978 donde su asesor fue Sidney Coleman . [1] Fue miembro junior de la Sociedad de becarios de Harvard de 1978 a 1981; pasó de ser profesor junior a profesor Mary Amanda Wood en la Universidad de Pensilvania entre 1981 y 1998, durante el cual mantuvo una asociación a largo plazo con el Centro de Investigación Thomas J. Watson ; y ha estado en la facultad de la Universidad de Princeton desde el otoño de 1998. Cofundó el 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 lenta y generación de semillas de galaxias: en 1982, Steinhardt y Andreas Albrecht [9] (y, de forma independiente, Andrei Linde ) construyeron los primeros modelos inflacionarios que podrían acelerar la expansión del universo lo suficiente como para explicar la suavidad observada. y planitud del universo para luego "salir con gracia" a la expansión más modesta que se observa hoy. [10] El artículo de Albrecht-Steinhardt fue el primero en señalar el efecto de la fricción de Hubble en el mantenimiento de la inflación durante un período suficientemente largo (el efecto de "rollo lento"), estableciendo el prototipo para la mayoría de los modelos inflacionarios posteriores.
La fricción de Hubble jugó 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 y relativista de calibre invariante para calcular cómo las fluctuaciones cuánticas durante la inflación podrían generar naturalmente una variación casi a escala. Espectro invariante de fluctuaciones de densidad con una pequeña inclinación, propiedades que más tarde se demostraron mediante observaciones del fondo cósmico de microondas como características de nuestro universo. Las fluctuaciones de densidad son semillas sobre las cuales eventualmente se forman las galaxias. Los 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 interminable es una característica genérica de los modelos inflacionarios que conduce a un multiverso , la división del espacio en una multitud infinita de parches que abarcan una gama infinita de resultados en lugar de un universo único, liso y plano, como originalmente se esperaba cuando se propuso por primera vez.
Aunque algunos cosmólogos abrazarían más tarde el multiverso, Steinhardt expresó constantemente su preocupación de que destruya por completo el poder predictivo de la teoría que 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 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 ondas gravitacionales en los mapas de temperatura en 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 era mucho menos probable que el modelo inflacionario explicara nuestro universo de lo que se pensaba anteriormente. [19] [20]
Según su análisis de los resultados del satélite Planck de 2013, las posibilidades de obtener un universo que coincida con las observaciones después de un período de inflación son inferiores a uno en un googolplex . [21] Steinhardt y su equipo denominaron el resultado el "problema de improbabilidad". Los dos artículos también mostraron que los datos satelitales de Planck descartaron lo que históricamente se habían aceptado como los modelos inflacionarios más simples y que los modelos inflacionarios restantes requieren más parámetros, más ajustes de esos parámetros y condiciones iniciales más improbables. [19] [20]
En 2015, el problema de la diferencia fue reafirmado y fortalecido por una ronda posterior de mediciones reportadas por el equipo satelital Planck.
Incompatibilidad con las conjeturas de las tierras pantanosas: 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 las tierras pantanosas"). ) 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 con un rebote y reemplazan la inflación con 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 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 jamás se han probado.
Los teóricos generalmente coinciden en que, si hubo una gran explosión, entonces, en los instantes siguientes, los efectos de la física cuántica deberían haber creado grandes fluctuaciones en el espacio-tiempo. Estas fluctuaciones habrían provocado que el espacio-tiempo se curvara y deformara y que la distribución de la energía se volviera muy desigual, todo lo cual es inconsistente 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 suavidad que se observa en el universo. Pero no está claro cómo pasar de las condiciones altamente desiguales creadas después de un big bang a un universo inflacionario y, incluso si se pudiera encontrar una solución, la teoría inflacionaria finalmente resulta en un multiverso en lugar de un universo uniforme. [15]
El nuevo enfoque elimina por completo el estallido y prevé, en cambio, una transición suave de un período anterior de lenta contracción al actual período de expansión. Si la contracción es lenta, suaviza todo el universo y, a diferencia de la inflación, no existe 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 inestable. Una extensión natural de estas ideas es un universo cíclico que nunca comienza ni termina, en el que épocas de rebote, expansión y contracción se repiten a intervalos regulares.
En una conferencia fundamental de 2021, Steinhardt explicó por qué es hora de descartar la teoría del big bang y reemplazar la explosión por un "rebote": una transición suave de la contracción a un universo denso y caliente que continúa expandiéndose y enfriándose. [24]
Desarrollo historico
Primeros modelos con una gran crisis: En 2001, Steinhardt presentó los primeros ejemplos de estos modelos cíclicos y de rebote, denominados "ekpiróticos", 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 extra limitadas por "branas" (donde "brana" se deriva de "membrana", un objeto básico en la teoría de cuerdas). La ardiente 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 están establecidos 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 ekpirótica en una versión temprana de una teoría cíclica del universo. [26]
Modelos mejorados con contracción lenta y un rebote suave: las versiones recientes de la cosmología de rebote desarrollada por Anna Ijjas y Steinhardt introducen elementos que simplifican y abordan problemas con la propuesta ekpirótica 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, de forma similar 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 "súper suavizado". [28]
El rebote es una transición suave que se puede calcular completamente y mantiene la suavidad porque es un proceso continuo que ocurre mucho antes de que los efectos de la gravedad cuántica se vuelvan fuertes. No existe ningún problema de singularidad cósmica, a diferencia de las teorías basadas en el big bang.
Suavizado universal y ultralocalidad: para probar estas ideas, Anna Ijjas adaptó a la cosmología las herramientas de la relatividad general numérica, originalmente inventadas para simular la fusión de agujeros negros y la emisión de ondas gravitacionales. Junto con Steinhardt y sus colaboradores, las nuevas herramientas se utilizaron para estudiar la eficacia de la contracción lenta. [28] [29] [30]
El estudio demuestra que la contracción lenta es una fase cosmológica supersuavizada que homogeneiza, isotropiza y aplana el universo tanto de forma clásica como mecánica cuántica y puede hacerlo de forma mucho más robusta y rápida de lo que se había observado en estudios anteriores.
Partiendo de una condición inicial tremendamente irregular y con 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 existe equivalente en un universo en expansión, incluido el caso de la inflación. El consiguiente poder suavizante 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 cruje; más bien, necesariamente crece según un factor constante de rebote en rebote cada 100 mil millones de años aproximadamente. Después de cada rebote, la energía gravitacional 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 ciclo al siguiente y el observador no puede ver lo suficientemente lejos como para saber que existe el observador. No podemos 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 un ciclo a otro 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 un ciclo a otro 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 entropía" que acosaba 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 universo único 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 haber energía oscura. Según estos modelos, la expansión acelerada causada por la energía oscura inicia el proceso de suavizado, la desintegración de la energía oscura a 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 cósmica son las llamadas "ondas gravitacionales secundarias" que se producen mucho después del rebote. Sus amplitudes son demasiado débiles para ser encontradas en detectores actuales, pero en última instancia son detectables. Una segunda predicción es que la expansión de la aceleración actual eventualmente debe detenerse y el vacío debe decaer eventualmente 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, en comparación con el enorme valor esperado por las teorías de la gravedad cuántica . [32] La constante cosmológica podría comenzar siendo grande, como se esperaba, pero luego podría decaer lentamente en el transcurso de muchos ciclos hasta el valor minúsculo observado hoy.
El descubrimiento del campo de Higgs en el Gran Colisionador de Hadrones (LHC) puede proporcionar un apoyo adicional al modelo cíclico. [33] La evidencia del LHC sugiere que el vacío actual puede decaer en el futuro, según cálculos realizados por Steinhardt, Turok e Itzhak Bars. El modelo cíclico requiere la decadencia del vacío actual para poner fin a la fase actual de expansión, contraerse, rebotar 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, en última instancia, puede ser comprobable.
Steinhardt ha realizado importantes contribuciones a la investigación del "lado oscuro" del universo: la energía oscura , el problema de las constantes cosmológicas 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 de energía total, suficiente para causar la expansión de la Tierra. universo para acelerar. [34] Esto fue verificado 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 las conjeturas de las tierras pantanosas con Agrawal, Obieds y Vafa [22] señala que la quintaesencia es la única opción para la energía oscura en la teoría de cuerdas y la gravedad cuántica consistente.
Materia oscura que interactúa automáticamente: en 2000, David Spergel y Steinhardt introdujeron por primera vez el concepto de materia oscura que interactúa fuertemente (SIDM) para explicar varias anomalías en los modelos estándar de oscuridad fría, basándose en el supuesto de que la materia oscura consiste en partículas masivas que interactúan débilmente (también denominadas como "WIMP"). [39]
En 2014, Steinhardt, Spergel y Jason Pollack propusieron que una pequeña fracción de la materia oscura podría tener autointeracciones ultrafuertes, lo que haría que las partículas se fusionaran rápidamente y colapsaran en semillas de los primeros agujeros negros supermasivos . [40]
Desarrollo de la teoría: En 1983, Steinhardt y su entonces alumno 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 antes se pensaba que eran imposibles para los sólidos. Steinhardt y Levine denominaron 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 .
La nueva teoría anuló 200 años de dogma científico y demostró que los cuasicristales podrían violar todos los teoremas matemáticos previamente aceptados sobre la simetría de la materia. Las simetrías que alguna vez se consideraron prohibidas para los sólidos son en realidad posibles para los cuasicristales, incluidos los sólidos con ejes de simetría quíntuple y simetría icosaédrica tridimensional .
El primer ejemplo informado de un cuasicristal sintético: trabajando simultáneamente con Steinhardt y Levine, pero independientemente de ellos, Dan Shechtman , Ilan Blech, Denis Gratias y John Cahn en la Oficina Nacional de Estándares (NBS) se centraron en un descubrimiento experimental que no podían. explicar. Era 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 encajaba 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 obtuvieron datos más convincentes. [7]
A Steinhardt y Levine se les mostró una preimpresión del artículo del equipo de Shechtman e inmediatamente reconocieron que podría ser una prueba experimental de su teoría de los cuasicristales aún inédita. [7] La teoría, junto con la propuesta de que podría explicar la misteriosa y prohibida estructura 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 la macla de cristales propuesta por Linus Pauling ) que fueron debatidas acaloradamente durante los años siguientes. [7] En 1987, An-Pang Tsai y su grupo en 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 armonía con la teoría de los cuasicristales de Steinhardt y Levine y era inconsistente con cualquiera de las explicaciones alternativas. [43] El debate teórico terminó efectivamente y la teoría de Steinhardt-Levine ganó amplia aceptación. [7]
El primer cuasicristal natural: En 1999, Steinhardt reunió 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 algoritmo matemático novedoso 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 curador 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 con la etiqueta " khatyrkita ", 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 nuevo mineral y designó su nombre, 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 Okrug autónomo de Chukotka , en la mitad norte de la península de Kamchatka, en el extremo oriental de Rusia. . El equipo incluía a Bindi y Valery Kryachko, el geólogo minero ruso que había encontrado las muestras originales de cristal de khatyrkita 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 siguientes años de estudio, 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 4,5 mil millones de años (antes de que existieran los planetas), y aterrizó en el 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 nombrado "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, cada una de las cuales tiene 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 involucrados en la investigación de los cuasicristales de Steinhardt: "hollisterita", en honor al petrólogo de Princeton, Lincoln Hollister; "kryachkoite", para el geólogo ruso Valery Kryachko; y "stolperita", para el 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 novedoso 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 más antiguo jamás descubierto. [5] Se cree que la estructura hasta ahora desconocida, que está hecha de hierro, silicio, cobre y calcio, se formó mediante la fusión de arena del desierto vaporizada y cables de cobre durante la explosión de prueba atómica. [49] El descubrimiento de un cuasicristal único en trinitita podría transformar el campo de la ciencia forense nuclear , lo que conduciría 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 localizar a los culpables. [51]
Otras contribuciones al campo: Steinhardt y sus colaboradores han hecho contribuciones significativas a la comprensión de las propiedades físicas y matemáticas únicas de los cuasicristales, [52] incluidas teorías sobre 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 azulejos 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 del cuasicristal de Steinhardt-Levine. [7]
La investigación de Steinhardt sobre cuasicristales y otros sólidos no cristalinos se amplió al trabajo sobre 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 diseñaron y probaron el primer cuasicristal fotónico con simetría icosaédrica en 2005. Fueron los primeros en demostrar la existencia de bandas prohibidas fotónicas ("PBG"). [56] Estos materiales bloquean la luz durante un rango finito de frecuencias (o colores) y dejan pasar luz con frecuencias fuera de esa banda, de manera similar a la forma en que un semiconductor bloquea electrones durante 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 bandas prohibidas con simetría esférica perfecta. [57] [58] Estos materiales, que actúan como semiconductores isotrópicos para la luz, se pueden utilizar para controlar y manipular la luz en una amplia gama de aplicaciones que incluyen comunicaciones ópticas , computadoras fotónicas, recolección de energía, óptica no lineal y 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 espuma. [59] Demostraron que podrían surgir grandes bandas prohibidas 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 nueva empresa 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, comunicación de datos, redes y aplicaciones solares. [60] [61]
La investigación de Steinhardt sobre formas desordenadas de la materia se ha centrado en la estructura y propiedades de los vidrios , los semiconductores amorfos y los metales amorfos .
Construyó el primer modelo de red aleatoria continua (CRN) de vidrio y silicio amorfo generado por computadora en 1973, cuando aún era estudiante en Caltech . Los 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 informático para predecir propiedades estructurales y electrónicas. [62] [63]
Trabajando con David Nelson y Marco Ronchetti, Steinhardt formuló expresiones matemáticas, conocidas como "parámetros de orden de orientación", para calcular el grado de alineación de enlaces interatómicos en líquidos y sólidos en 1981. Aplicándolas a simulaciones por computadora de líquidos monoatómicos sobreenfriados, demostraron que Los átomos forman disposiciones con un orden de orientación de enlace icosaédrico (similar a un balón de fútbol) de rango finito a medida que los líquidos se enfrían.