Ученые из Международной школы передовых исследований Италии дали строгое квантово-механическое определение степени окисления, основанное на теории топологических квантовых чисел. Статья ученых опубликована в журнале Nature Physics.

Степень окисления — это условное целое число, показывающее то количество электронов, которое нужно добавить или отнять от атома, чтобы он стал заряженным нейтрально. Но само понятие состояния окисления ускользало от строгого квантово-механического определения, так что до сих пор не был известен метод вычисления чисел окисления из фундаментальных законов природы.

В то же время оценка электрических токов в ионных проводниках, необходимая для моделирования их транспортных свойств, в настоящее время основана на громоздком квантово-механическом подходе, который серьезно ограничивает возможности крупномасштабного компьютерного моделирования.

Недавно было замечено, что упрощенная модель, где каждый атом несет заряд, равный его числу окисления, может дать результаты в удивительно хорошем согласии со строгими, но гораздо более трудозатратными подходами. Объединив новое топологическое определение числа окисления с так называемой «калибровочной инвариантностью» коэффициентов переноса, Федерико Грасселли и Стефано Барони доказали: то, что считалось простым совпадением, фактически стоит на твердых теоретических основах, и простая модель целочисленного заряда определяет электрические транспортные свойства ионных проводников без каких-либо приближений.

Помимо решения фундаментальной головоломки в физике конденсированного состояния, этот результат также позволит выполнять квантовые моделирования переноса заряда в ионных системах. Например, в связанных с энергетикой технологиях, в автомобильном и телекоммуникационном секторах, а также в науках о Земле.