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Los investigadores usan pequeños remolinos magnéticos para generar números aleatorios verdaderos

PROVIDENCIA, R.I. [Brown University] — Ya sea para su uso en ciberseguridad, juegos o simulación científica, el mundo necesita números aleatorios verdaderos, pero generarlos es más difícil de lo que uno podría pensar. Pero un grupo de físicos de la Universidad de Brown ha desarrollado una técnica que potencialmente puede generar millones de dígitos aleatorios por segundo aprovechando el comportamiento de los skyrmions, pequeñas anomalías magnéticas que surgen en ciertos materiales bidimensionales.

Su investigación, publicada en Nature Communications, revela dinámicas previamente inexploradas de skyrmions individuales, dicen los investigadores. Descubiertos hace aproximadamente media década, los skyrmions han despertado el interés en la física como un camino hacia los dispositivos informáticos de próxima generación que aprovechan las propiedades magnéticas de las partículas, un campo conocido como espintrónica.

"Ha habido mucha investigación sobre la dinámica global de los skyrmions, utilizando sus movimientos como base para realizar cálculos", dijo Gang Xiao, presidente del Departamento de Física de Brown y autor principal de la investigación. “Pero en este trabajo, mostramos que las fluctuaciones puramente aleatorias en el tamaño de los skyrmions también pueden ser útiles. En este caso, mostramos que podemos usar esas fluctuaciones para generar números aleatorios, potencialmente hasta 10 millones de dígitos por segundo”.

La mayoría de los números aleatorios producidos por computadoras no son aleatorios en el sentido más estricto. Las computadoras usan un algoritmo para generar números aleatorios basados ​​en un lugar de partida inicial, un número semilla. Pero debido a que el algoritmo utilizado para generar el número es determinista, los números no son verdaderamente aleatorios. Con suficiente información sobre el algoritmo o su salida, podría ser posible que alguien encuentre patrones en los números que produce el algoritmo. Si bien los números pseudoaleatorios son suficientes en muchos entornos, las aplicaciones como la seguridad de datos, que utiliza números que no pueden ser adivinados por un tercero, requieren números aleatorios verdaderos.

Los métodos para producir números aleatorios verdaderos a menudo se basan en el mundo natural. Las fluctuaciones aleatorias en la corriente eléctrica que fluye a través de una resistencia, por ejemplo, pueden usarse para generar números aleatorios. Otras técnicas aprovechan la aleatoriedad inherente a la mecánica cuántica: el comportamiento de las partículas en la escala más pequeña.

Este nuevo estudio agrega skyrmions a la lista de verdaderos generadores de números aleatorios.

Skyrmions surgen del "spin" de electrones en materiales ultrafinos. Se puede pensar en el espín como el diminuto momento magnético de cada electrón, que apunta hacia arriba, hacia abajo o en algún punto intermedio. Algunos materiales bidimensionales, en sus estados de energía más bajos, tienen una propiedad llamada anisotropía magnética perpendicular, lo que significa que todos los espines de los electrones apuntan en una dirección perpendicular a la película. Cuando estos materiales se excitan con electricidad o un campo magnético, algunos de los espines de los electrones se invierten a medida que aumenta la energía del sistema. Cuando eso sucede, los espines de los electrones circundantes se perturban hasta cierto punto, formando un torbellino magnético que rodea al electrón invertido: un skyrmion.

Los skyrmions, que generalmente tienen un diámetro de aproximadamente 1 micrómetro (una millonésima de metro) o menos, se comportan un poco como una especie de partícula, que se desplaza a través del material de un lado a otro. Y una vez que se forman, son muy difíciles de eliminar. Debido a que son tan robustos, los investigadores están interesados ​​en usar su movimiento para realizar cálculos y almacenar datos.

Este nuevo estudio muestra que, además del movimiento global de skyrmions a través de un material, el comportamiento local de skyrmions individuales también puede ser útil. Para el estudio, que fue dirigido por el becario postdoctoral de Brown, Kang Wang, los investigadores fabricaron películas delgadas magnéticas utilizando una técnica que produjo defectos sutiles en la red atómica del material. Cuando se forman skyrmions en el material, estos defectos, que los investigadores llaman centros de fijación, mantienen a los skyrmions firmemente en su lugar en lugar de permitirles moverse como lo harían normalmente.

Los investigadores descubrieron que cuando un skyrmion se mantiene en su lugar, fluctúan aleatoriamente en tamaño. Con una sección del skyrmion sujeta firmemente a un centro de fijación, el resto del skyrmion salta de un lado a otro, envolviendo dos centros de fijación cercanos, uno más cerca y otro más alejado.

"Cada skyrmion salta de un lado a otro entre un diámetro grande y un diámetro pequeño", dijo Wang. “Podemos medir esa fluctuación, que ocurre aleatoriamente, y usarla para generar números aleatorios”.

El cambio en el tamaño del skyrmion se mide a través de lo que se conoce como el efecto Hall anómalo, que es un voltaje que se propaga a través del material. Este voltaje es sensible a la componente perpendicular de los espines de los electrones. Cuando cambia el tamaño del skyrmion, el voltaje cambia hasta un punto que se puede medir fácilmente. Esos cambios de voltaje aleatorios se pueden usar para producir una cadena de dígitos aleatorios.

Los investigadores estiman que al optimizar el espacio entre defectos en su dispositivo, pueden producir hasta 10 millones de dígitos aleatorios por segundo, proporcionando un método nuevo y altamente eficiente para producir números aleatorios verdaderos.

"Esto nos brinda una nueva forma de generar números aleatorios verdaderos, que podrían ser útiles para muchas aplicaciones", dijo Xiao. “Este trabajo también nos brinda una nueva forma de aprovechar el poder de los skyrmions, al observar sus dinámicas locales y sus movimientos globales”.

La investigación fue apoyada por la Fundación Nacional de Ciencias (OMA-1936221).

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