Kaos genereret med en nanoskala magnetisk hvirvel

Magnetiske hvirvler er hvirvler i nanoskala, der svinger som snurretoppe, sporing af stier med uret eller mod uret i nanometertykke materialer. Under visse betingelser, denne følelse af svingning kan vende gentagne gange, resulterer i komplekse adfærdsmønstre. Nu, et hold fysikere i Frankrig, ledet af Joo-Von Kim, CNRS-forsker ved C2N, har vist, at kaos understøtter en sådan bevægelse i nanoskala. Dette udmønter sig i vilkårligt komplekse elektriske signaler, der kan bruges til at generere tilfældige tal eller sikre kommunikationskanaler.

Kaos i fysik og matematik beskriver en uforudsigelig adfærd, der kan opstå i et deterministisk system. I magnetiske materialer, kaos kan findes i bevægelsen af ​​en bestemt hvirvel af magnetiske momenter kaldet en hvirvel. Disse hvirvler er karakteriseret ved en 'kerne, "tivis af nanometer i bredden, som svinger som en snurretop og sporer elliptiske baner inden for planet af de nanometertykke magnetiske film, hvori de befinder sig.

Afhængigt af om kernens momenter peger 'op' eller 'ned' i forhold til dette plan, kernen kan rotere enten med uret eller mod uret langs disse baner - meget ligesom minutviseren for en timer, hvis den fik lov til at køre frem og tilbage. Under visse betingelser, kernemomenterne kan vende deres orientering, vende i betydningen rotation. Afgørende, sådanne vendinger kan blive kaotiske, hvilket betyder, at i vores timer-analogi, minutviseren kunne for eksempel løbe frem i et minut, derefter tilbage i to, så frem igen i to minutter mere, og så videre, men med en sekvens, der ikke kan forudsiges med nøjagtighed på lang sigt.

I et første værk, udgivet i Fysiske anmeldelsesbreve , teamet af Joo-Von Kim og forskere ved CNRS/Thales fælles forskningslaboratorium, CentraleSupélec og University of Lorraine, har vist eksperimentelt, at denne adfærd kan produceres i et system kaldet en "nanokontakt vortex oscillator, "hvor en sådan bevægelse kan styres ved at ændre styrken af ​​de elektriske strømme, der strømmer gennem sådanne enheder. Systemet, fremstillet hos Unité Mixte de Physique (CNRS/Thales), involverer en nanoindentationsteknik til at skabe en metallisk kanal i nanoskala, hvorigennem store strømtætheder strømmer ind i en spin-ventil. Disse strømme inducerer den kaotiske bevægelse, hvor variationer i magnetomodstanden fanger vortexkernens position.

I et andet værk, udgivet i Naturkommunikation , forskerne brugte en avanceret filtreringsteknik til at demonstrere, at simple bølgeformsmønstre kan produceres, som enten gentages periodisk eller kaotisk afhængigt af den anvendte strøm. Med det samme eksperimentelle system, forskerne opdagede, at den kaotiske tilstand af kernens svingning udmønter sig i vekslen mellem to forskellige spændingsbølgeformer over tid. De har vist, hvordan man kortlægger disse mønstre på tilfældige informationsbidder med en hastighed på hundrede millioner gange i sekundet.

Disse resultater åbner muligheder for at bruge nanoenheder til at generere kaotiske mønstre for informationsteknologier. Opskalering for at producere en række af sådanne hvirveloscillatorer kan forudses, hvilket kan resultere i GHz-hastigheder for generering af tilfældige tal på en enkelt chip. Hardwarebaserede hurtige tilfældige talgeneratorer er nyttige til kryptering, men kunne også finde anvendelse i neuro-inspireret og probabilistisk databehandling.

Bølgeformsmønstrene afspejler også systemets iboende symbolske dynamik, som kan udnyttes til at forbedre signal til støj-forhold i kommunikationskanaler. Ved at koble sådanne vortexoscillatorer til andre spintroniske komponenter, såsom magnetiske hukommelser og spin logiske enheder, man kan også forestille sig et nyt paradigme inden for low-power computing, hvor ikke-flygtigheden og kompleksiteten af ​​sådanne systemer kombineres.