Скирмионы помогут генерировать настоящие случайные числа
По-настоящему случайные числа требуются для нужд кибербезопасности, в играх, для научного моделирования и т. д. Казалось бы, в чём проблема — получить случайное число? Компьютеры легко справляются с этой задачей. Однако на деле большинство случайных чисел, выдаваемых ими, не являются по-настоящему случайными.
Компьютеры используют алгоритм для генерации случайных чисел на основе начального положения начального числа. Из-за того, что процесс генерации является детерминированным, числа вроде бы и случайные, да не совсем. В большинстве случаев это не критично, псевдослучайных чисел достаточно. Но когда речь идёт, к примеру, о защите данных, это может стать проблемой. Имея достаточно информации об алгоритме или его выходных данных, кто-то может найти закономерности в числах, которые он выдает. Да и вообще, людям нужны настоящие случайные числа.
Группа физиков из Университета Брауна разработала метод, который потенциально может генерировать миллионы случайных чисел в секунду. В нём используется поведение скирмионов — крошечных магнитных аномалий, возникающих в некоторых двумерных материалах.
Опубликованное в Nature Communications исследование раскрывает ранее неизведанную динамику одиночных скирмионов. Обнаруженные около полувека назад скирмионы вызвали большой интерес, так как их исследование может проложить путь к вычислительным устройствам следующего поколения, использующим преимущества магнитных свойств частиц (спинтроника).
Исследований с использованием движения скирмионов для выполнения вычислений было проведено очень много, но именно это показало, что в дополнение к глобальному движению скирмионов по материалу также может быть полезным локальное поведение отдельных скирмионов.
Скирмионы возникают из-за «раскрутки» электронов в сверхтонких материалах. Спин можно рассматривать как крошечный магнитный момент каждого электрона, который направлен вверх, вниз или посередине. Некоторые двумерные материалы в своих самых низких энергетических состояниях обладают свойством, называемым перпендикулярной магнитной анизотропией, что означает, что все спины электронов направлены перпендикулярно 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 или меньше, ведут себя как некая частица, проносящаяся по материалу из стороны в сторону. И как только они образовались, от них очень трудно избавиться. Поскольку они настолько надежны, исследователи заинтересованы в использовании их движения для выполнения вычислений и хранения данных.
Для исследования изготовили тонкие магнитные пленки, применив 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.
Когда скирмион удерживается на месте, его размер случайным образом колеблется. Если одна часть скирмиона плотно прижата к одному центру закрепления, остальная часть скирмиона прыгает взад и вперед между большим и маленьким диаметром. Это колебание, которое происходит случайно, можно измерить и использовать для генерации случайных чисел.
Изменение размера скирмиона происходит 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.
Исследователи подсчитали, что, оптимизировав расстояние между дефектами в своем устройстве, они могут производить до 10 миллионов случайных цифр в секунду.
