Магнитные вихри можно использовать для генерирования случайных чисел

Около десяти лет назад в сфере хранения данных появилось новое понятие «скирмион», означающее крошечные закрученные узоры магнитных вихрей на тонких пленках. Эту модель предложил британский физик Тони Скирм (Tony Skyrme) еще более 60 лет назад, а потом оказалось, что она может стать настоящим прорывом в магнитных системах хранения данных.

Теперь же команда специалистов Брауновского университета обнаружила новый способ использования скирмионов в совершенно неожиданной сфере – для генерирования истинных случайных чисел в криптографии, защищенных системах связи и вероятностных вычислениях.

Скирмионы генерируются вращающимися электронами на ультратонких материалах. Вращения электронов можно сравнить с крошечными стрелочками, представляющими собой магнитный момент и указывающими вверх, вниз или в середину.

Когда чрезвычайно тонкие, практически двухмерные материалы имеют самый низкий энергетический уровень, они обладают свойством, известным как перпендикулярная магнитная анизотропия. Это означает, что ориентация намагниченности имеет предпочтительное направление. Если к двухмерному материалу в этом состоянии применить электричество или магнитное поле, вращения некоторых электронов повернутся. В результате окружающие электроны начнут толкаться, создавая магнитный вихрь вокруг перевернутого электрона. Это и будет скирмион.

Команда специалистов Брауновского университета изготовила тонкие магнитные пленки, используя технику, которая создавала неуловимые дефекты в атомной решетке материала. Эти дефекты создаются путем манипулирования условиями роста пленок, например, путем изменения толщины слоев в типичных областях, чтобы улавливать скирмионы в этих дефектах (центрах пиннинга).

Удерживая скирмионы в центрах пиннинга, микроскопические вихри начинают беспорядочно колебаться в размерах. Пока одна часть скирмиона плотно прилегает к одному центру пиннинга, остальная часть «прыгает» вперед-назад, оборачиваясь вокруг двух ближайших центров пиннинга (один поближе и один подальше). Эти случайные «прыжки» скирмионов от большого диаметра к малому можно измерить. Именно эти измерения можно использовать в качестве случайных чисел.

Систему скирмиона можно легко изготовить с помощью простых процессов выращивания и изготовления образцов, уверены специалисты. Кроме того, генератор истинных случайных чисел скирмиона может быть интегрирован с другими устройствами скирмиона в одной матрице для реализации архитектур внутри памяти и вычислений.

Специалисты уверены, что технологии для производства генераторов случайных чисел на базе скирмиона появятся уже совсем скоро.