Os números de oxidação, até agora, escaparam de qualquer definição rigorosa da mecânica quântica. Um novo estudo SISSA, publicado em Física da Natureza , fornece tal definição com base na teoria dos números quânticos topológicos, que foi homenageado com o Prêmio Nobel de Física 2016, concedido a Thouless, Haldane e Kosterlitz. Este resultado, combinado com os avanços recentes na teoria do transporte alcançados na SISSA, abre o caminho para um acerto, ainda tratável, simulação numérica de uma ampla classe de materiais que são importantes em tecnologias relacionadas à energia e ciências planetárias.

Todo aluno de graduação em ciências naturais aprende como associar um número de oxidação inteiro a uma espécie química que participa de uma reação. Infelizmente, o próprio conceito de estado de oxidação tem, até agora, iludido uma definição de mecânica quântica rigorosa, de modo que nenhum método era conhecido até agora para calcular os números de oxidação das leis fundamentais da natureza, muito menos demonstrar que seu uso na simulação de transporte de carga não prejudica a qualidade das simulações numéricas. Ao mesmo tempo, a avaliação de correntes elétricas em condutores iônicos, que é necessário para modelar suas propriedades de transporte, é atualmente baseado em uma abordagem de mecânica quântica incômoda que limita severamente a viabilidade de simulações de computador em grande escala. Cientistas notaram recentemente que um modelo simplificado em que cada átomo carrega uma carga igual ao seu número de oxidação pode dar resultados em uma concordância surpreendente com abordagens rigorosas, mas muito mais caras. Ao combinar a nova definição topológica do número de oxidação com a chamada "invariância de calibre" dos coeficientes de transporte, descoberto recentemente na SISSA, Federico Grasselli e Stefano Baroni provaram que o que foi considerado uma mera coincidência está de fato em bases teóricas sólidas, e que o modelo de carga inteira simples captura as propriedades de transporte elétrico de condutores iônicos sem quaisquer aproximações.

Além de resolver um enigma fundamental na física da matéria condensada, este resultado, alcançado no âmbito do European MAX Centre of Excellence para aplicações de supercomputação, também representa um avanço para os aplicativos, permitindo simulações quânticas computacionalmente viáveis ​​de transporte de carga em sistemas iônicos de suma importância em tecnologias relacionadas à energia, nos setores automotivo e de telecomunicações, bem como nas ciências planetárias. Tais aplicações vão desde as misturas iônicas adotadas em células eletrolíticas e trocadores de calor em usinas de energia, para baterias de eletrólito de estado sólido para carros elétricos e dispositivos eletrônicos, e até mesmo às fases exóticas condutoras de água que ocorrem no interior de gigantes gelados, que supostamente estão relacionados à origem dos campos magnéticos nesses planetas.