L évolution universelle de la conductivité électrique mise en évidence par les simulations numériques

L évolution universelle de la conductivité électrique mise en évidence par les s

L?universalité de l’augmentation de la conductivité électrique provient des corrrelations microscopiques entre charges positives et negatives, mises en evidence dans ces simulations numériques. Photo DR.

Vojtech Kaiser et Peter Holdsworth, chercheurs du laboratoire de physique de l’ENS de Lyon, ont collaboré avec ceux de l’Institut Max Planck à Dresde et le University College Londres pour montrer le comportement universel de la conductivité électrique de nombreux matériaux en présence de champs électrique forts.
Lorsque le champ électrique est faible, le comportement électrique est typiquement régi par la loi d’Ohm : la conductivité électrique est indépendante du champ appliqué et les matériaux sont caractérisés par une résistivité électrique bien définie. Le modèle le plus simple d’un électrolyte considère deux types de particules chargées : d’une part les charges libres qui contribuent à la conductivité électrique et d’autre part les charges piégées par l’interaction Coulombienne en paire neutre (une charge positive et une négative). En régime Ohmique le champ électrique appliqué ne modifie pas cet équilibre mais un fort champ électrique champ est capable d’augmenter le pourcentage de charge libre. Remarquablement la forme de cette augmentation est universelle - c’est-à-dire, d’une forme caractéristique et unique pour tout les matériaux. Cette universalité a été identifiée pour la première fois par le futur prix Nobel, Lars Onsager en 1934 dans des expériences sur l’acide acétique (le vinaigre). Depuis elle a été identifiée pour une large gamme de systèmes expérimentaux comme par exemple les conducteurs biochimiques, les verres, les membranes, les semi-conducteurs, les matériaux composant dans les panneaux solaires et même pour les monopoles magnétiques émergent dans les composés magnétiques la glace du spin.
Le processus sous-jacent a été identifié grâce à des simulations numériques modélisant un électrolyte sur réseau. Ces simulations permettant de voir, pour la première fois, l’évolution de l’équilibre entre charges libres et charges piégées en fonction du champ électrique à travers les fonctions de corrélations entre charges positives et négatives. Les conséquences microscopiques de la dynamique sont aussi mises en évidence pour la première fois, ouvrant un nouvel axe de comparaison entre modélisation numérique et expériences. Ces travaux ouvrent de nouvelles pistes de compréhension dans des domaines scientifiques et technologiques variés - de l’électrochimie ou la biochimie au génie électrique.
Kaiser et Holdsworth, co-auteurs de l’article et tous deux chercheurs au laboratoire de Physique de l’ENS de Lyon, commentent : ‘L?effet de Wien d’Onsager est pertinent pour un grand nombre de systèmes expérimentaux et de nouveau matériaux. Les simulations numériques nous permettent d’explorer des nouvelles facettes qui seraient inaccessibles sans les techniques de modélisation.’
Sources : Ces premières simulations numériques de l’effet Wien sont publiés dans le par Vojtech Kaiser*, Steven Bramwell, Peter Holdsworth* et Roderich Moessner ( 10.1038/NMAT3729).