Skyrmiony to kwazicząstki obdarzone ładunkiem topologicznym

Skyrmiony przydatne do tworzenia prawdziwych liczb losowych

Skyrmiony, małe anomalie magnetyczne powstające w materiałach dwuwymiarowych, mogą być wykorzystane do generowania liczb losowych. To z kolei oznacza postęp w kryptografii i obliczeniach probabilistycznych.

Wszyscy potrzebujemy generowania liczb losowych. Czy chodzi o cyberbezpieczeństwo, czy symulacje naukowe, liczby losowe są integralną częścią naszego życia. Ich generowanie jednak nie jest wcale proste. Naukowcy z Uniwersytetu Browna opracowali technikę, którą można wykorzystać do generowania milionów przypadkowych cyfr na sekundę. Wszystko dzięki skyrmionom – maleńkim anomaliom magnetycznym, które powstają w dwuwymiarowych materiałach. Wyniki opublikowano w Nature Communications.

Prowadzono wiele badań nad globalną dynamiką skyrmionów, wykorzystując ich ruchy jako podstawę do wykonywania obliczeń. Ale w tej pracy pokazujemy, że czysto losowe fluktuacje w wielkości skyrmionów mogą być również użyteczne. W tym przypadku pokazujemy, że możemy wykorzystać te fluktuacje do generowania liczb losowych, potencjalnie nawet 10 milionów cyfr na sekundę.

Gang Xiao z Wydziału Fizyki Uniwersytetu Browna, główny autor badań

Nowy wymiar losowości

Większość liczb losowych generowanych przez komputery tak naprawdę nie jest losowa. To dlatego, że wszystkie komputery używają algorytmu do generowania liczb losowych w oparciu o początkowe miejsce startowe. Mając wystarczająco dużo informacji na temat algorytmu lub danych wyjściowych (liczb), teoretycznie można znaleźć wór w liczbach generowanych przez algorytm. Takie liczby pseudolosowe są wystarczające w wielu sytuacjach, ale czasami potrzeba czegoś więcej – prawdziwych liczb losowych.

Do generowania prawdziwych liczb losowych można wykorzystać np. przypadkowe fluktuacje w prądzie elektrycznym przepływającym przez opornik lub losowość w mechanice kwantowej. Teraz wykazano, że pomocne mogą być również skyrmiony.

Czytaj też: Pojedyncze skyrmiony jak na talerzu. Spintronika coraz bliżej

Zgodnie z obowiązującą definicją, skyrmion to kwazicząstka, która charakteryzuje się tzw. ładunkiem topologicznym, będącą możliwie najmniejszym stabilnym zakłóceniem jednorodnego namagnesowania. Niektóre materiału dwuwymiarowe – w najniższych stanach energetycznych – cechuje właściwość zwana prostopadłą anizotropią magnetyczną. Niektóre spiny elektronów zmieniają się wraz ze wzrostem energii układu. Kiedy tak się dzieje, spiny otaczających elektronów zostają do pewnego stopnia zaburzone, tworząc wir magnetyczny – skyrmion.

Wizualizacja skyrmionów /Fot. Gang Xiao

Skyrmiony mają średnicę ok. 1 mikrometra lub mniejszą, zachowują się trochę jak cząstki, przeskakując przez materiał z boku na bok. Kiedy już się uformują, ciężko je zniszczyć. Naukowcy z Uniwersytetu Browna wykazali, że kiedy skyrmiony są utrzymywane w miejscu, ich rozmiar zmienia się w sposób losowy.

Każdy skyrmion przeskakuje tam i z powrotem pomiędzy dużą średnicą i małą średnicą. Możemy zmierzyć tę fluktuację, która występuje losowo i wykorzystać do generowania liczb losowych.

Kang Wang z Uniwersytetu Browna

Zmiana wielkości skyrmionów jest mierzona przez tzw. anomalny efekt Halla, czyli napięcie, które rozchodzi się w poprzek materiału. Napięcie to jest wrażliwe na prostopadłą składową spinów elektronów. Te losowe zmiany napięcia mogą być wykorzystane do wyprodukowania ciągu losowych cyfr. Dzięki optymalizacji opisanej metody, można stworzyć aż 10 milionów losowych cyfr na sekundę.