Salvatore_Torquato
「サルヴァトーレトルカート」
Salvatore Torquatoは、イタリアのファレルナで生まれたアメリカの理論科学者です。彼の研究は、物理学、化学、応用数学、純粋数学、 材料科学、 工学、、生物物理学など、さまざまな分野に影響を与えてきました。彼は化学科における自然科学のルイスバーナード教授との材料の科学と技術のためのプリンストン大学でプリンストン大学。彼は、理論的自然科学のフロンティアを探求することに専念する企業であるプリンストン理論科学センターの上級教員フェローを務めています。彼はまた、プリンストン大学の3つの学部またはプログラム（物理学、応用数学および計算数学のプログラム、機械および航空宇宙工学）の関連教員でも彼は何度も、ニュージャージー州プリンストンの高等研究所の数学部と自然科学部のメンバーでした。
サルヴァトーレトルカート
母校
シラキュース大学（BS）
ストーニーブルックでのSUNY（MA、Ph.D）
で知られている
ランダム異種材料理論
空間相関関数
微細構造の再構築
パッキング理論
逆統計力学
ターゲットを絞った自己組織化
超均一性
がんモデリング 賞 American Chemical Society Joel Hildebrand Award in Theoretical Chemistry of Liquids（2017）
理論物理学におけるサイモンズ財団フェローシップ（2012）
アメリカ物理学会、材料物理学のデビッドアドラーレクチャーシップ賞（2009）
Society for Industrial＆Applied Mathematics Ralph E. Kleinman Prize（2007）
工学会ウィリアム・プラーガーメダル（2004）
午前。Soc。機械エンジニアチャールズラスリチャーズメモリアルアワード（2002）
グッゲンハイム奨学金（1998）
午前。Soc。機械エンジニアGustusL。Larson Memorial Award（1994）
アメリカ機械学会フェロー（1993）
科学的キャリア
田畑
統計力学凝縮物質物理学材料科学応用数学生物物理学
機関
プリンストン大学
シラキュース大学
ストーニーブルックのSUNY
ノースカロライナ州
高等研究所
指導教官
ジョージ・ステル
Webサイト
化学.princeton .eduさらに/ torquato / }
コンテンツ
1 研究成果
1.1 ランダムな異種メディア 1.2 液体とガラス 1.3 パッキング問題 1.4 超均一性
2 栄誉と賞
3 参考文献
4 選択された出版物
5 外部リンク
研究成果
Torquatoの研究は、統計力学とソフトマター理論を中心としています。トルカトの研究の共通のテーマは、広範囲の物理現象を解明するための統一された厳密な原理の探求です。多くの場合、彼の仕事は従来の知識に挑戦したり覆したりしており、それがさまざまな分野の復活や新しい研究の方向性につながっています。実際、彼の研究の影響は、生物科学、離散幾何学、数論などの物理科学をはるかに超えて広がっています。現在、彼の公開された作品は46，650回以上引用されており、GoogleScholarのページによると彼のh指数は113です。
Torquatoは、敏感な次数メトリックの識別を通じて、物質の凝縮相のランダム性の理解に根本的な貢献をしました。彼は、粒子パッキングの「最大ランダムジャム」状態の概念の先駆者を含む、パッキング問題に関する世界の専門家の1人であり、 非球形粒子の最も密度の高いパッキングに対するケプラーのような推測を特定し、そして、高次元で最も密度の高い球充填（デジタル通信で重要な問題）が、私たちの3次元世界のように順序付けられているのではなく、直感に反して無秩序であるという強力な理論的証拠を提供します。彼は、ランダムメディアの微細構造を再構築するための最高のアルゴリズムを考案しました。 Torquatoは、がん増殖の最初の包括的なセルオートマトンモデルを策定しました。彼は、「ランダム異種材料」と呼ばれるこの主題に関する高く評価されている論文を書くことを含め、ランダム異種材料の研究に多大な貢献をしてきました。彼は、最適化手法を使用した「設計による材料」に関する世界の権威の1つであり、 「逆」統計力学を含みます。最近、彼は「無秩序な超均一性」と呼ばれる新しいエキゾチックな物質の状態を導入しました。これは結晶と液体の中間です。これらの物質の状態は、新しい物理的特性に恵まれています。 最近の研究では、特定の大きな間隔の素数が長さスケール全体で予期しない順序を持ち、純粋な点回折パターンを持つ新しいクラスの多粒子システムの最初の例を表すことが明らかになりました。 、これは事実上制限周期と呼ばれます。
ランダムな異種メディア
Torquatoは、ランダムな異種メディアの理論に関する世界的な権威です。この分野は、ジェームズ・クラーク・マクスウェル、レイリー卿、アインシュタインの業績にまでさかのぼり、物理学および生物科学に重要な影響を及ぼしています。自然および合成の状況にはランダムな媒体が豊富にあり、複合材料、薄膜、コロイド、充填床、発泡体、マイクロエマルジョン、血液、骨、動植物組織、焼結材料、砂岩が含まれます。有効な輸送、機械的および電磁的特性は、支配的な偏微分方程式を満たすアンサンブル平均場によって決定されます。したがって、それらは、複雑な方法で、クラスタリングとパーコレーションを特徴付けるものを含む、相関関数を介した材料のランダムな微細構造に依存します。
Yeong-Torquato再構成アルゴリズムを使用して得られたバイナリPb-Sn合金の3D実現。
厳密な理論：20年以上前、ランダムな微細構造の特性評価が困難であったため、有効な特性の予測における厳密な進歩が妨げられていました。Torquatoは、広く多様なランダムな不均一媒体の微細構造と巨視的特性を特徴付ける統一された厳密な手段を提供することにより、この行き詰まりを打破しました。彼の貢献はこの分野に革命をもたらし、ほぼ20年前に書かれた彼の論文Random Heterogeneous Materials：Microstructure and Macroscopic Properties で最高潮に達し、5，300回以上引用され、この分野に大きな影響を与え続けています。2021年にPhysicalReview Xに掲載された記事で、TorquatoとJaeuk Kimは、電磁波のすべての次数への多重散乱を説明する一般的な複合微細構造の有効な動的誘電率テンソルの最初の「非局所」正確な式を作成しました。
最適化によるデザイナーメタマテリアル：1997年、Ole SigmundとTorquatoは、負の熱膨張またはゼロ熱膨張のメタマテリアルを設計するためのトポロジー最適化手法の使用に関する独創的な論文を執筆しました。彼らはまた、圧電複合材料の性能を最適化するために、負のポアソン比を持つ3D異方性多孔質固体を設計しました。 Torquatoとその同僚は、界面が三重周期の極小曲面である複合材料が多機能性に最適であることを最初に示しました。
ペア統計の縮退と構造再構築：Torquatoらは、低次の相関関数から無秩序な多粒子または2相システムの実現を再構築または構築するための新しい強力な逆最適化手順を開拓しました。 結果は、無秩序な多粒子システムのペア情報が代表的な構成を一意に決定し、標準の3、4体を超えるより感度の高い構造記述子を特定するには不十分であるという定量的かつ決定的なデモンストレーションです。 、などの分布関数。これは、液体およびガラス状の物質の状態の研究において非常に重要です。
カノニカルN -点相関関数1986年には、Torquatoは正確に一般的に表すために統一理論的アプローチ処方N「カノニカル」相関関数-点HをN 1は、バルク特性を決定する相関関数の様々なタイプのいずれかを取得して計算することができ、そこから液体、ガラス及びランダム媒体、ならびにこれらの相関関数の一般化。構造情報の富は、中に含まれるH N理解ほど遠いです。最近、Torquatoらは、H nの特殊なケースと、離散幾何学のカバーリングと量子化の問題、および数論の問題との関係を発見しています。
液体とガラス
Torquatoは、液体およびガラス状の物質の状態に関する統計力学的理論の世界的リーダーの1つです。彼は、局所的な分子秩序、輸送現象、ガラス形成、および液体中の凍結挙動を研究するために呼び出された由緒ある剛体球モデルの理解に多大な貢献をしました。他の注目すべき研究の進歩は、水、単純な液体、および物質の凝縮状態の一般的な統計力学的理論に関するものです。彼は、敏感な相関関数と記述子を識別して適用し、標準的なペア統計を超えて液体とガラスの構造を特徴づける最前線に立ってきました。彼はまた、液体状態理論の機構を拡張してランダム媒体の構造を特徴づけることでも知られています。
ランダム性の定量化に向けて：Torquatoらは、多粒子系の秩序/無秩序の程度を特徴づける「秩序メトリックとマップ」の強力な概念を開拓しました。このような記述子は、球充填の不明確なランダム最密充填状態（以下で説明）の代替案を提案するために最初に適用されました。秩序測定基準は、単純な液体、水、構造用ガラスの乱れの程度を特徴づけるために多くの研究者によって採用されてきました。Torquatoは、彼の同僚とともに、順序メトリックを使用して、レナードジョーンズの液体やガラス、水、無秩序な物質の状態などの分子システムの構造的、熱力学的、および動的な性質に関する新しい洞察を提供しました。、他の例の中で。
G 2 -Invariantプロセス：TorquatoとStillingerはの概念開拓Gを2つの非負対相関与えた-invariantプロセスG 2機能は、O *は、達成可能な最大密度である密度0≤ø≤ø*、の範囲にわたって不変のままに上の特定の必要条件の満足に従うG 2。 このアイデアは、統計力学的実現可能性の問題に大きな関心を呼び起こしました。密度とg 2のみが指定されている場合、無秩序な多粒子系が存在するために必要な条件は何ですか。
逆統計力学：基底状態と励起状態：現在のミレニアムの最初の10年間、Torquatoと彼の共同研究者は、ナノスケール構造を含むターゲットの多粒子構成に自発的かつ堅牢につながる最適化された相互作用ポテンシャルを見つけるための逆統計力学手法を開拓しました。ゼロ温度（基底状態）および正の温度（励起状態）で。新しいターゲット構造には、低配位の2Dおよび3D結晶基底状態、 無秩序な基底状態、および広範囲の温度と密度にわたって負のポアソン比を持つ原子系が含まれます。
液体の過冷却による長さスケールの成長：2013年、Marcotte、Stillinger、Torquatoは、過冷却時に遷移温度T cに達するかなり前に、原子液体モデルのガラス転移の敏感な兆候が明らかであることを示しました。Ornstein-Zernike方程式で定義された直接相関関数c（r）の体積積分。この長さの尺度は、温度が下がるとかなり大きくなります。
パーフェクトグラス：2016年に発表された独創的な論文で、Zheng、Stillinger、Torquatoは「パーフェクトグラス」の概念を紹介しました。このようなアモルファス固体は、絶対零度まで超均一である機械的に安定したアモルファスガラスを作成しながら、状態変数の結晶相および準結晶相の可能性を著しく排除する多体相互作用を伴います。その後、完全なガラスは、些細な対称性までは独特の無秩序な古典的基底状態を持ち、したがってエントロピーが消えることが計算上示されました。これは非常に直感に反する状況です。この発見は、エントロピーと無秩序が互いに対立している特異な例を提供します。
パッキング問題
周期境界条件を持つ3Dユークリッド空間での最大ランダムジャムパッキングの実現
Torquatoは、重なり合わない粒子がどれだけ密にまたはランダムにボリュームを満たすことができるかなど、パッキング問題に関する世界有数の権威です。それらは、数学と科学において最も古く、永続的な問題の1つです。パッキング問題は、古典的な基底状態、液体、結晶、ガラスなど、物質の凝縮相と密接に関連しています。2000年以前の研究の優勢は球充填を考慮していましたが、Torquatoと彼の同僚は、それ以来、非球粒子（楕円体、多面体、スーパーボールなど）の最も密で無秩序な詰まった充填の研究を主導し、爆発を引き起こしました。このトピックに関する論文の。
最大限にランダム詰まっ（MRJ）パッキン：精液フィジカルレビューレターズ、2000年には、一緒にトーマスTruskettとしてTorquatoパブロDebenedettiは、球充填におけるランダム最密充填の由緒ある概念が数学的に誤った定義になっていることを証明したと呼ばれる新しい概念とそれを置き換えます最大ランダムジャム（MRJ）状態。これは、物性物理学の研究の新しい道を開いた秩序（または無秩序）のスカラー計量のアイデアを開拓し、数学的に正確な妨害カテゴリーを導入することによって可能になりました。 MRJパッキングは、（さまざまな次数メトリックに従って）最大限に無秩序であり、機械的に無限に剛性があるため、典型的なガラスと見なされるようになりました。 Michael KlattとTorquatoは、MRJ球充填の輸送特性と電磁特性だけでなく、さまざまな相関関数を特徴づけました。
Aleksandar Donev、Paul Chaikin、Robert Connellyと一緒に、同一の楕円体のMRJパッキングは、球形のものよりもはるかに高い密度を持つことができることを発見しました。他の場所では、同じ著者が、証明可能な最も密度の高い球充填（たとえば、FCC格子充填）よりもかなり高い密度を持つ同一の楕円体の最も密度の高い既知の充填を発見しました。
多面体の高密度パッキング：2006年にPNASで発表された先駆的な論文で、ジョン・コンウェイとトルカトは、当時最もよく知られているパッキングの密度を2倍にする四面体のパッキングを分析的に構築しました。2009年に自然に公開別の精液論文では、Torquato及び交通非タイリングの最密充填知ら決定プラトニック固体（四面体、八面体、二十面体と十二面体）、ならびに13のアルキメデス固体。 Torquato-Jiao予想は、中心対称性を持つプラトンおよびアルキメデス固体の最も密度の高いパッキング（それらの大部分を構成する）は、対応する最も密度の高いBravais格子パッキングによって与えられると述べています。彼らはまた、中心対称性のない凸状の同一の多面体の最適なパッキングは、一般にブラベ格子パッキングではないと推測した。現在まで、特定の理論的考察に基づくこれらの推測に対する反例はありません。多面体に関するTorquatoの研究は、通常の四面体の密度の劇的な改善を含む、そのような固体の可能な限り最も密度の高いパッキングを決定するために、物理学および数学のコミュニティで活発な活動に拍車をかけました。
高い次元で無秩序球パッキン月のWin：TorquatoとStillingerは大任意のユークリッド空間次元dの球充填の最大密度の下限推測派生D漸近的振る舞いは2によって制御される- （0：77865 …）dは。この作業は、ミンコウスキーの100年前のブラベ格子の限界（その主要な漸近項は1/2 d）に、推定上の指数関数的改善をもたらす可能性がこれらの結果は、十分に高い次元の最も密度の高いパッキングが周期的ではなく無秩序である可能性があることを示唆しており、いくつかの連続ポテンシャルに対する無秩序な古典的基底状態の存在を示唆しています。
パッキングアルゴリズム：Donev、Stillinger、Torquatoは、衝突駆動型分子動力学アルゴリズムを策定し、周期的またはハードウォール境界条件下で、平行六面体シミュレーションドメイン内に滑らかな形状の非球形粒子の高密度パッキングを作成しました。 TorquatoとJiaoは、線形計画法と、秩序化および無秩序な非球形粒子の密なパッキング（多面体を含む）モンテカルロ法による。
超均一性
ステルス超均一点構成の実現
2003年に発表された独創的な記事で、TorquatoとStillingerは、秩序ある無秩序な点構成の大規模な密度変動を特徴付ける「超均一性」の概念を紹介しました。 d次元におけるA hyperuniform多粒子系ユークリッド空間RのDは、のような典型的な無秩序システム、におけるものに対して大規模な密度変動の異常抑制することを特徴とする液体と非晶質固体。このように、超均一性の概念は、すべての完全結晶と準結晶だけでなく、大きな長さスケールの結晶の特徴を持っているが液体のように等方性であるエキゾチックな無秩序な物質の状態も含む、長距離秩序の伝統的な概念を一般化します。
無秩序な超均一システムとその兆候は、約20年前の科学界ではほとんど知られていませんでした。現在、これらのシステムは、物理学、材料学、数学、および生物科学全体の多くの問題において重要な役割を果たしているという認識がTorquatoとその同僚は、これらのエキゾチックな物質の状態が平衡経路と非平衡経路の両方を介して得られ、量子力学的および古典的な種類の両方でもたらされることを示すことによって、これらの開発に貢献しました。物質の超均一状態の研究は、物理科学、数学、生物学全体の発展に影響を与え、結びつける、新たな学際的な分野です。特に、無秩序な超均一材料のハイブリッド結晶-液体属性は、それらに独自のまたはほぼ最適な方向に依存しない物理的特性と欠陥に対する堅牢性を与え、それらを研究の熱心な主題にします。
二相媒体、スカラー場、ベクトル場、スピン系への超均一性の一般化：Torquatoは、超均一性の概念を異種媒体に一般化しました。 最近では、Torquatoは超均一性を拡張して、スカラー確率場（たとえば、濃度および温度場、スピノーダル分解）、ベクトル場（たとえば、乱流速度場）、および統計的に異方性の多粒子系を包含しました。この研究は、逆格子空間における「方向性の超均一性」のアイデアにつながりました。Torquato、Robert Distasio、Roberto Carらは、超均一性のアイデアをスピンシステムに一般化しました。最近、Duyu ChenとTorquatoは、フーリエ空間ベースの最適化アプローチを策定し、規定のスペクトル密度を持つ2相超均一媒体を自由に構築しました。には、より完全に特徴付ける密度変動がポイント構成の、Torquato、Kimとクラットは歪度、過剰尖度などの高次モーメント又はキュムラントの広範な理論および計算研究、および対応する確率を行いますさまざまな程度の短距離および長距離次数を持つ超均一および非超均一システムの両方を含む、最初の3つの空間次元にわたるモデルの大規模なファミリーの分布関数であり、中心極限定理がいつ達成されたかを決定します。
量子系の超均一性：Torquatoは、Antonello Scardicchioとともに、任意の空間次元dにおけるフェルミ粒子系の特定の基底状態が無秩序で超均一であることを厳密に示しています。 Daniel Abreu、Torquatoらは、Weyl–Heisenbergアンサンブルが超均一であることを証明しました。このようなアンサンブルには、特別な場合として、量子ホール効果の原因となる、より高いランダウ準位での電子の分布をモデル化するGinibreアンサンブルの多層拡張が含まれます。最近では、横磁場内の長距離相互作用する超均一スピン鎖に興味深い量子相転移があることが示された。
ニワトリ網膜における鳥類光受容体の超均一パターン
生物学における超均一性：Jiao、Torquato、Joseph Corboらは、生物学に見られる無秩序な超均一性の最初の例、つまり鳥類の網膜の光受容細胞を発表しました。鳥は、5つの異なる錐体光受容体サブタイプを持つ非常に視覚的な動物ですが、それらの光受容体パターンは不規則であり、光をサンプリングするのに理想的とは言えません。5つの異なる細胞型からなるニワトリ錐体光受容体を分析することにより、無秩序なパターンは超均一であるが、ねじれがあることがわかりました-総人口と個々の細胞型の両方が同時に超均一です。この多重不均一性は、鳥が持つ鋭い色の感知にとって非常に重要です。他の場所では、Lomba、Torquato、および同僚が、赤、青、緑の3つの原色をサンプリングするために、3成分混合物で無秩序な多重超均一性を厳密に達成する最初の統計力学的モデルを発表しました。
ステルスおよび超均一無秩序基底状態：Torquato、Stillingerらは、古典的な基底状態が直感に反して無秩序である等方性の「ステルス」境界長距離ペアポテンシャル（フリーデル振動と同様）と相互作用する粒子のシステムを生成するための集合座標数値最適化アプローチを開拓しました。 、超均一で、空間次元全体で高度に縮退しています。 「ステルス」とは、原点の周りの波数ベクトルの範囲で散乱がゼロであることを意味します。そのようなシステムの唯一の特徴は、構成空間の次元が自由度の数と比較したそのような制約された波数ベクトルの割合に依存することです。それにもかかわらず、ステルス基底状態の熱力学と構造に関する統計力学的理論が定式化されています。
新規の無秩序フォトニック材料：約10年前、フォトニック結晶（結晶対称性のある誘電体ネットワーク）は、大きな完全な（偏光と全方向の両方の）フォトニックバンドギャップを達成するために必要であると考えられていました。このような材料は、全方向性ミラーと考えることができますが、周波数範囲は有限です。前述の「ステルス」無秩序基底状態粒子構成を対応する誘電体ネットワークにマッピングすることにより、Marain Florescu、Paul Steinhardt、およびTorquatoは、フォトニック結晶に匹敵するサイズの完全なフォトニックバンドギャップを備えた最初の無秩序ネットワーク固体を発見しました。ギャップは完全に等方性です。理論的にも実験的にも、後者の特性により、結晶では不可能な自由形状の導波路を設計できることが示された。
最適な輸送と弾性特性を備えた無秩序な超均一材料：Zhang、Stillinger、Torquatoは、ステルス無秩序な2相システムが、等方性を維持しながら、広範囲の体積分率でほぼ最大の有効拡散係数を達成できることを示しました。 TorquatoとChenは、統計的等方性の制約の下で、2D無秩序な超均一低密度セルラーネットワークの有効な熱（または電気）伝導率と弾性率が最適であることを発見しました。他の場所では、Torquatoは、超均一多孔質媒体が特異な流体の流れ特性を持っていることを発見しました。
新しい波動特性を備えた無秩序な超均一材料：KimとTorquatoは、ステルス無秩序な2相システムを、広範囲の入射周波数で弾性波と電磁波の両方に対して完全に透明にすることができることを実証しました。
計算および実験方法による大規模な無秩序超均一システムの作成：最近、Torquatoらは、障害となっていたナノスケールまで効果的に超均一である大規模な超均一サンプルを作成および合成するためのプロトコルを策定しました。KimとTorquatoは、3D印刷技術による材料発見のために、非常に大きな完全に超均一な無秩序分散（108個以上の粒子）を設計するための新しいテッセレーションベースの計算手順を策定しました。自己組織化技術は、はるかに小さな長さスケールで大きなサンプルを製造するための道を提供します。より最近では、Ma、Lomba、およびTorquatoが、バイナリ常磁性コロイド粒子を使用して、非常に大きな超均一システムを作成するための実行可能な実験プロトコルを提案しました。調整可能な磁場によって誘発される強力で長距離の双極子相互作用には、帯電したコロイド系の長距離の静電相互作用を減衰させるスクリーニング効果がありません。
準結晶の超均一性の特性評価：ZacharyとTorquatoは、準結晶：1Dフィボナッチチェーンと2Dペンローズタイルについて、漸近数分散から導出された超均一性次数メトリックを初めて計算しました。構造因子S（k）による準結晶の超均一性の特性評価は、結晶の場合よりもかなり微妙です。これは、前者がブラッグピークの密集したセットによって特徴付けられるためです。そのために、Erdal Oguz、Joshua Socolar、Steinhardt、Torquatoは、統合された構造因子を使用して、準結晶の超均一性を確認しました。同じ著者は、特定の一次元置換タイリングが超均一または反超均一のいずれかである可能性があることを他の場所で実証しました。 Cheney Lin、Steinhardt、およびTorquatoは、準結晶の超均一性メトリックが局所同型クラスにどのように依存するかを決定しました。
分布のHyperuniformity素数：Torquato、一緒にマシュー・デCourcy -アイルランドと張と、著名な限度で素数は、緻密でhyperuniform発見されていることをブラッグピーク（のような準結晶Aのような）が、一定の合理的な波数に位置し、限界-周期的なポイントパターンですが、占有サイトと非占有サイトの「不安定な」パターンが素数におけるこの隠されたマルチスケール順序の発見は、疑似乱数としての従来の扱いとは対照的です。
栄誉と賞
Torquatoは、米国物理学会（APS）のフェロー、産業応用数学学会（SIAM）のフェロー、および米国機械学会（ASME）のフェローです。彼は、2017 ASC Joel Henry Hildebrand Award、 2009 APS David Adler Lectureship Award in Material Physics、 SIAM Ralph E. Kleinman Prize、 Society of Engineering Science William PragerMedalの受賞者です。およびASMEリチャーズ記念賞。彼はグッゲンハイム奨学金でした。彼は、4つの別々の機会に高等研究所の会員でした。彼は最近、理論物理学のサイモンズ財団フェローシップを受け取りました。
参考文献
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外部リンク
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