Oxidationsnummer har hittills undvikit någon strikt kvantmekanisk definition. En ny SISSA -studie, publicerad i Naturfysik , ger en sådan definition baserad på teorin om topologiska kvantnummer, som hedrades med Nobelpriset i fysik 2016, tilldelas Thouless, Haldane och Kosterlitz. Detta resultat, kombinerat med de senaste framstegen inom transportteorin som uppnåtts vid SISSA, banar väg för en korrekt, ändå dragbar, numerisk simulering av en bred klass av material som är viktiga inom energirelaterad teknik och planetvetenskap.

Varje grundstudent i naturvetenskap lär sig hur man kopplar ett heltal oxidationsnummer till en kemisk art som deltar i en reaktion. Tyvärr, själva begreppet oxidationstillstånd har hittills undvikit en strikt kvantmekanisk definition, så att ingen metod hittills var känd för att beräkna oxidationsnummer från de grundläggande naturlagarna, än mindre visa att deras användning vid simulering av laddtransporter inte förstör kvaliteten på numeriska simuleringar. På samma gång, utvärdering av elektriska strömmar i joniska ledare, som krävs för att modellera deras transportegenskaper, är för närvarande baserat på ett besvärligt kvantmekaniskt tillvägagångssätt som allvarligt begränsar genomförbarheten för storskaliga datasimuleringar. Forskare har nyligen märkt att en förenklad modell där varje atom bär en laddning lika med dess oxidationstal kan ge överraskande god överensstämmelse med rigorösa men mycket dyrare metoder. Genom att kombinera den nya topologiska definitionen av oxidationstal med den så kallade "gauge invariance" av transportkoefficienter, nyligen upptäckt på SISSA, Federico Grasselli och Stefano Baroni bevisade att det som ansågs som en ren tillfällighet i själva verket står på fasta teoretiska grunder, och att den enkla heltalsladdningsmodellen fångar de elektriska transportegenskaperna hos joniska ledare utan någon approximation.

Förutom att lösa en grundläggande gåta i kondensmaterialets fysik, detta resultat, uppnått inom ramen för European MAX Center of Excellence för superdatorapplikationer, representerar också ett genombrott för applikationer, möjliggör beräkningsmässigt genomförbara kvantsimuleringar av laddningstransport i joniska system av yttersta vikt i energirelaterad teknik, inom bil- och telekommunikationssektorerna, såväl som inom planetvetenskap. Sådana tillämpningar sträcker sig från de joniska blandningar som antagits i elektrolytiska celler och värmeväxlare i kraftverk, till solid-state-elektrolytbatterier för elbilar och elektroniska enheter, och även till de ledande exotiska faserna av vatten som förekommer i det inre av iskalla jättar, som är tänkta att vara relaterade till magnetfältens ursprung på dessa planeter.