Oxidatiegetallen zijn tot nu toe aan elke rigoureuze kwantummechanische definitie ontsnapt. Een nieuwe SISSA-studie, gepubliceerd in Natuurfysica , biedt een dergelijke definitie op basis van de theorie van topologische kwantumgetallen, die werd geëerd met de 2016 Nobelprijs voor de natuurkunde, toegekend aan Thouless, Haldane en Kosterlitz. Dit resultaat, gecombineerd met recente vorderingen in de transporttheorie die bij SISSA zijn bereikt, baant de weg naar een nauwkeurige, toch handelbaar, numerieke simulatie van een brede klasse van materialen die belangrijk zijn in energiegerelateerde technologieën en planetaire wetenschappen.

Elke niet-gegradueerde student in de natuurwetenschappen leert hoe hij een geheel getal oxidatie kan associëren met een chemische soort die deelneemt aan een reactie. Helaas, het concept van oxidatietoestand heeft tot dusverre een rigoureuze kwantummechanische definitie ontgaan, zodat er tot nu toe geen methode bekend was om oxidatiegetallen te berekenen uit de fundamentele natuurwetten, laat staan ​​aantonen dat hun gebruik in de simulatie van ladingstransport de kwaliteit van numerieke simulaties niet aantast. Tegelijkertijd, de evaluatie van elektrische stromen in ionische geleiders, die nodig is om hun transporteigenschappen te modelleren, is momenteel gebaseerd op een omslachtige kwantummechanische benadering die de haalbaarheid van grootschalige computersimulaties ernstig beperkt. Wetenschappers hebben de laatste tijd opgemerkt dat een vereenvoudigd model waarbij elk atoom een ​​lading draagt ​​die gelijk is aan het oxidatiegetal, kan resulteren in verrassend goede overeenstemming met rigoureuze maar veel duurdere benaderingen. Door de nieuwe topologische definitie van oxidatiegetal te combineren met de zogenaamde "gauge-invariantie" van transportcoëfficiënten, onlangs ontdekt bij SISSA, Federico Grasselli en Stefano Baroni bewezen dat wat als louter toeval werd beschouwd, in feite op solide theoretische gronden berust, en dat het eenvoudige integer-ladingmodel de elektrische transporteigenschappen van ionische geleiders vastlegt zonder enige benaderingen.

Naast het oplossen van een fundamenteel raadsel in de fysica van de gecondenseerde materie, dit resultaat, behaald in het kader van het Europese MAX Centre of Excellence voor supercomputing-toepassingen, betekent ook een doorbraak voor toepassingen, het mogelijk maken van computationeel haalbare kwantumsimulaties van ladingstransport in ionische systemen die van het grootste belang zijn in energiegerelateerde technologieën, in de automobiel- en telecommunicatiesector, evenals in planetaire wetenschappen. Dergelijke toepassingen variëren van de ionische mengsels die worden gebruikt in elektrolytische cellen en warmtewisselaars in elektriciteitscentrales, tot halfgeleider-elektrolytbatterijen voor elektrische auto's en elektronische apparaten, en zelfs tot de geleidende exotische fasen van water die zich voordoen in het binnenste van ijzige reuzen, die verband zouden houden met de oorsprong van de magnetische velden op deze planeten.