Скирмионы могут использоваться для генерации истинных случайных чисел

Скирмионы, крошечные магнитные аномалии, возникающие в двумерных материалах, могут использоваться для генерации настоящих случайных чисел, полезных в криптографии и вероятностных вычислениях.

Будь то для использования в кибербезопасности, играх или научном моделировании, миру нужны настоящие случайные числа, но генерировать их сложнее, чем можно подумать. Теперь группа физиков из Университета Брауна разработала метод, который потенциально может генерировать миллионы случайных цифр в секунду, используя поведение скирмионов — крошечных магнитных аномалий, возникающих в некоторых двумерных материалах.

Исследование раскрывает ранее неизведанную динамику одиночных скирмионов, говорят ученые.

Обнаруженные около полувека назад скирмионы вызвали интерес в физике как путь к вычислительным устройствам следующего поколения, использующим преимущества магнитных свойств частиц — области, известной как спинтроника.

«Было проведено много исследований глобальной динамики скирмионов с использованием их движений в качестве основы для выполнения вычислений», — сказал Ган Сяо, заведующий кафедрой физики Брауна и старший автор исследования.

«Но в этой работе мы показываем, что могут быть полезны и чисто случайные колебания размера скирмионов. В этом случае мы показываем, что можем использовать эти колебания для генерации случайных чисел, потенциально до 10 миллионов цифр в секунду».

Большинство случайных чисел, выдаваемых компьютерами, не являются случайными в самом строгом смысле.

Компьютеры используют алгоритм для генерации случайных чисел на основе начального начального положения, начального числа. Но поскольку алгоритм, используемый для генерации числа, является детерминированным, числа не являются по-настоящему случайными.

Имея достаточно информации об алгоритме или его выходных данных, кто-то может найти закономерности в числах, которые выдает алгоритм.

Хотя во многих случаях достаточно псевдослучайных чисел, для таких приложений, как защита данных, использующих числа, которые не может угадать посторонняя сторона, требуются настоящие случайные числа.

Методы получения истинных случайных чисел часто опираются на мир природы.

Например, случайные колебания электрического тока, протекающего через резистор, можно использовать для генерации случайных чисел. Другие методы используют присущую квантовой механике случайность — поведение частиц в мельчайших масштабах.

Новое исследование добавляет скирмионы в список настоящих генераторов случайных чисел.

Скирмионы возникают из-за «закручивания» электронов в сверхтонких материалах. Спин можно рассматривать как крошечный магнитный момент каждого электрона, который может быть направлен вверх, вниз или где-то посередине. Некоторые двумерные материалы в своих самых низких энергетических состояниях обладают свойством, называемым перпендикулярной магнитной анизотропией, что означает, что все спины электронов направлены перпендикулярно 2D-пленке. Когда эти материалы возбуждаются электричеством или магнитным полем, некоторые спины электронов переворачиваются по мере увеличения энергии системы. Когда это происходит, спины окружающих электронов в некоторой степени возмущаются, образуя магнитный водоворот, окружающий перевернутый электрон — скирмион.

Скирмионы, которые обычно имеют диаметр около 1 микрометра (миллионная доля метра) или меньше, ведут себя как некая частица, проносящаяся по материалу из стороны в сторону. А когда они образовались, избавиться от них очень сложно. Поскольку они настолько надежны, исследователи заинтересованы в использовании их движения для выполнения вычислений и хранения данных.

Новое исследование показывает, что в дополнение к глобальному движению скирмионов по материалу также может быть полезным локальное поведение отдельных скирмионов.

Для исследования ученые изготовили тонкие магнитные пленки, используя технику, которая создавала тонкие дефекты в атомной решетке материала. Когда в материале образуются скирмионы, эти дефекты, которые исследователи называют центрами закрепления, прочно удерживают скирмионы на месте, а не позволяют им двигаться, как обычно.

Исследователи обнаружили, что когда скирмион удерживается на месте, его размер случайным образом колеблется. Когда одна часть скирмиона плотно прижата к одному центру закрепления, остальная часть скирмиона прыгает взад и вперед, обвивая два соседних центра закрепления, один ближе, а другой дальше.

Изменение размера скирмиона измеряется с помощью так называемого аномального эффекта Холла, который представляет собой напряжение, распространяющееся по материалу. Это напряжение чувствительно к перпендикулярной составляющей электронных спинов. Когда размер скирмиона изменяется, напряжение меняется до степени, которую легко измерить. Эти случайные изменения напряжения можно использовать для создания строки случайных цифр.

Исследователи подсчитали, что, оптимизировав расстояние между дефектами в своем устройстве, они могут производить до 10 миллионов случайных цифр в секунду, обеспечивая новый и высокоэффективный метод получения истинных случайных чисел.