Los números de oxidación han eludido hasta ahora cualquier definición rigurosa de la mecánica cuántica. Un nuevo estudio de SISSA, publicado en Física de la naturaleza , proporciona una definición de este tipo basada en la teoría de los números cuánticos topológicos, que fue galardonado con el Premio Nobel de Física 2016, otorgado a Thouless, Haldane y Kosterlitz. Este resultado, combinado con los recientes avances en la teoría del transporte logrados en SISSA, allana el camino hacia una precisión, pero manejable, simulación numérica de una amplia clase de materiales que son importantes en tecnologías relacionadas con la energía y ciencias planetarias.

Cada estudiante de licenciatura en ciencias naturales aprende cómo asociar un número de oxidación entero a una especie química que participa en una reacción. Desafortunadamente, el concepto mismo de estado de oxidación ha eludido hasta ahora una rigurosa definición de mecánica cuántica, de modo que hasta ahora no se conocía ningún método para calcular los números de oxidación a partir de las leyes fundamentales de la naturaleza, y mucho menos demostrar que su uso en la simulación del transporte de carga no estropea la calidad de las simulaciones numéricas. Al mismo tiempo, la evaluación de corrientes eléctricas en conductores iónicos, que se requiere para modelar sus propiedades de transporte, se basa actualmente en un engorroso enfoque mecánico-cuántico que limita severamente la viabilidad de las simulaciones por computadora a gran escala. Los científicos han notado últimamente que un modelo simplificado en el que cada átomo lleva una carga igual a su número de oxidación puede dar resultados sorprendentemente buenos con enfoques rigurosos pero mucho más costosos. Al combinar la nueva definición topológica del número de oxidación con la llamada "invariancia de calibre" de los coeficientes de transporte, descubierto recientemente en SISSA, Federico Grasselli y Stefano Baroni demostraron que lo que se consideró una mera coincidencia se basa de hecho en sólidos fundamentos teóricos, y que el modelo simple de carga entera captura las propiedades de transporte eléctrico de los conductores iónicos sin ninguna aproximación.

Además de resolver un enigma fundamental en la física de la materia condensada, este resultado, logrado en el marco del European MAX Center of Excellence para aplicaciones de supercomputación, también representa un gran avance para las aplicaciones, permitir simulaciones cuánticas computacionalmente viables del transporte de carga en sistemas iónicos de suma importancia en tecnologías relacionadas con la energía, en los sectores de automoción y telecomunicaciones, así como en ciencias planetarias. Dichas aplicaciones van desde las mezclas iónicas adoptadas en celdas electrolíticas e intercambiadores de calor en centrales eléctricas, a baterías de electrolito de estado sólido para automóviles eléctricos y dispositivos electrónicos, e incluso a las fases exóticas conductoras del agua que ocurren en el interior de gigantes helados, que se supone que están relacionados con el origen de los campos magnéticos en estos planetas.