准粒子用于每秒产生数百万个真正的随机数

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XIAO LAB/BROWN UNIVERSITY

近十年来，关于数据存储中被称为skyrmions的东西的新闻开始出现 —— 薄膜中微小的、旋转的磁自旋图案。这些旋转的磁漩涡是60多年前由英国物理学家Tony Skyrme提出的，这个名字就是从他那里得来的，但突然之间，它们似乎成为了磁性数据存储系统的潜在游戏规则改变者。

随机数对计算至关重要，但我们当前的算法并不是真正随机的。布朗大学的研究人员现在已经找到了一种新方法，利用准粒子波动每秒产生数百万个真正随机数的方法。可以将Skyrmions用于一个全新的应用：生成真正的随机数，这在密码学、安全通信和概率计算中很有用。

Skyrmion是由超薄材料中的电子自旋产生的。把电子自旋想象成一个微小的箭头，当它指向上、下或中间的某个地方时，代表粒子的磁取向（或磁矩）。当一些极薄的、基本上是二维的材料处于其最低能量状态时，它们具有一种称为垂直磁各向异性的特性，这意味着磁化方向有一个首选方向。如果在这种状态下对2D材料施加电场或磁场，一些电子自旋会翻转。结果，周围的电子相互碰撞，在翻转的电子周围形成一个磁漩涡：一个skyrmion。

虽然skyrmions曾有望成为未来可能的数据存储介质，但在这一过程中出现了一些复杂情况。一个复杂的现象是，当你将磁场垂直于导体平面时，会发生这种现象。导体中的电流移动，产生可测量的电压变化。尽管听起来可能很神秘，但所谓的霍尔效应如今是一些GPS技术、智能手机组件和无刷直流电机背后的基本元素。

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部分原因是霍尔效应给skyrmion的数据存储原型带来了极大的困难，于是出现了一个想法，即用看似对系统不利的东西来代替它。

研究人员开始研究一些想法，例如使用Skyrmion的布朗运动（Brownian motion，原子和分子在液体或气体中相互弹起时的持续运动）用于随机计算的重组器等设备，其中使用随机位通过简单电路进行计算。不幸的是，这类设备还需要复杂的几何结构，并在对skyrmion运动进行精确控制时带来了自身的问题。

布朗大学博士后研究员Kang Wang受到了这一最新研究领域的启发。“我们想出了一个主意，利用磁铁中的缺陷，这通常被认为是传统skyrmion设备的一个弱点，并引入skyrmion的局部动态行为，使其成为一个强大的真随机数生成器，”Wang说。

布朗的研究人员利用一种在材料的原子晶格中产生细微缺陷的技术制造了磁性薄膜。这些缺陷是通过操纵薄膜的生长条件产生的，例如通过改变典型区域的层厚度来捕获这些缺陷中的Skyrmion，称为“固定中心”。

通过将Skyrmion固定在这些固定中心，纳米级的漩涡开始在大小上随机波动。当skyrmion的一部分紧紧地固定在一个固定中心上时，其余的skyrmion来回跳跃，围绕着附近的两个固定中心，一个更近，一个更远。这种从大直径到小直径的随机跳跃是可以测量的。测量这些波动是产生随机数的原因。

skyrmion大小的变化是通过霍尔效应测量的。在这项研究中，研究人员创造了具有将skyrmion固定在适当位置的缺陷的磁性薄膜。这导致它们的大小随机波动，将自己包裹在其他相邻的“固定中心”周围，缩小和增长。不同尺寸的skyrmion通过材料产生不同的电压，可以通过测量产生随机数字串。

研究人员进行的初步模拟研究表明，这种方法应该易于扩展。通过优化材料中缺陷的距离，这种技术每秒可以产生多达1000万个随机数字。除其他外，这可能是网络安全的一个巨大突破。

“这为我们提供了一种生成真正随机数的新方法，这可能对许多应用都有用，”研究人员表示，“这项工作还为我们提供了一种利用skyrmion力量的新方法，通过观察它们的局部动态以及它们的整体运动。”

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