I numeri di ossidazione sono finora sfuggiti a qualsiasi definizione rigorosa della meccanica quantistica. Un nuovo studio della SISSA, pubblicato in Fisica della natura , fornisce una tale definizione basata sulla teoria dei numeri quantici topologici, che è stato insignito del Premio Nobel 2016 per la Fisica, assegnato a Thouless, Haldane e Kosterlitz. Questo risultato, combinato con i recenti progressi nella teoria dei trasporti raggiunti alla SISSA, apre la strada a un accurato, ancora trattabile, simulazione numerica di un'ampia classe di materiali importanti nelle tecnologie energetiche e nelle scienze planetarie.

Ogni studente universitario in scienze naturali impara ad associare un numero di ossidazione intero a una specie chimica che partecipa a una reazione. Sfortunatamente, il concetto stesso di stato di ossidazione è finora sfuggito a una definizione quantomeccanica rigorosa, così che nessun metodo era conosciuto fino ad ora per calcolare i numeri di ossidazione dalle leggi fondamentali della natura, figuriamoci dimostrare che il loro uso nella simulazione del trasporto di carica non rovina la qualità delle simulazioni numeriche. Allo stesso tempo, la valutazione delle correnti elettriche nei conduttori ionici, che è necessario per modellare le loro proprietà di trasporto, è attualmente basato su un ingombrante approccio quantomeccanico che limita fortemente la fattibilità di simulazioni al computer su larga scala. Gli scienziati hanno recentemente notato che un modello semplificato in cui ogni atomo porta una carica pari al suo numero di ossidazione può dare risultati in sorprendente buon accordo con approcci rigorosi ma molto più costosi. Combinando la nuova definizione topologica di numero di ossidazione con la cosiddetta "invarianza di gauge" dei coefficienti di trasporto, recentemente scoperto alla SISSA, Federico Grasselli e Stefano Baroni hanno dimostrato che quella che era considerata una mera coincidenza poggia in realtà su solide basi teoriche, e che il semplice modello a carica intera cattura le proprietà di trasporto elettrico dei conduttori ionici senza alcuna approssimazione.

Oltre a risolvere un enigma fondamentale nella fisica della materia condensata, questo risultato, realizzato nell'ambito del Centro europeo di eccellenza MAX per le applicazioni di supercalcolo, rappresenta anche una svolta per le applicazioni, consentire simulazioni quantistiche computazionalmente fattibili del trasporto di carica in sistemi ionici di fondamentale importanza nelle tecnologie legate all'energia, nei settori automobilistico e delle telecomunicazioni, così come nelle scienze planetarie. Tali applicazioni spaziano dalle miscele ioniche adottate nelle celle elettrolitiche e negli scambiatori di calore nelle centrali elettriche, alle batterie allo stato solido per auto elettriche e dispositivi elettronici, e persino allo svolgimento di fasi esotiche dell'acqua che si verificano all'interno di giganti ghiacciati, che dovrebbero essere collegati all'origine dei campi magnetici in questi pianeti.