I numeri veramente casuali sono richiesti per le esigenze di sicurezza informatica, nei giochi, per la modellazione scientifica, ecc. Sembrerebbe che qual è il problema: ottenere un numero casuale? I computer possono facilmente far fronte a questo compito. Tuttavia, in realtà, la maggior parte dei numeri casuali che generano non sono veramente casuali.
I computer utilizzano un algoritmo per generare numeri casuali in base alla posizione iniziale del seme. A causa del fatto che il processo di generazione è deterministico, i numeri sembrano casuali, ma non del tutto. Nella maggior parte dei casi, questo non è critico, sono sufficienti numeri pseudo-casuali. Ma quando si tratta, ad esempio, della protezione dei dati, questo può diventare un problema. Date sufficienti informazioni sull'algoritmo o sul suo output, è possibile trovare modelli nei numeri che produce. E in generale, le persone hanno bisogno di numeri casuali reali.
Un gruppo di fisici della Brown University ha sviluppato un metodo che potrebbe potenzialmente generare milioni di numeri casuali al secondo. Utilizza il comportamento degli skyrmion, minuscole anomalie magnetiche che si verificano in alcuni materiali bidimensionali.
Pubblicato su Nature Communications, lo studio rivela dinamiche inesplorate di singoli skyrmion. Scoperti circa mezzo secolo fa, gli skyrmion hanno suscitato grande interesse, poiché il loro studio potrebbe aprire la strada alla prossima generazione di dispositivi informatici che sfruttano le proprietà magnetiche delle particelle (spintronica).
Sono state fatte molte ricerche utilizzando il movimento degli skyrmion per eseguire calcoli, ma questo è ciò che ha dimostrato che oltre al movimento globale degli skyrmion attraverso il materiale, può essere utile anche il comportamento locale dei singoli skyrmion.
Gli Skyrmion sorgono a causa dello "svolgimento" degli elettroni nei materiali ultrasottili. Lo spin può essere pensato come il minuscolo momento magnetico di ciascun elettrone che punta in alto, in basso o nel mezzo. Alcuni materiali bidimensionali nei loro stati di energia più bassi hanno una proprietà chiamata anisotropia magnetica perpendicolare, il che significa che tutti gli spin degli elettroni sono perpendicolari al film. Quando questi materiali sono eccitati dall'elettricità o da un campo magnetico, alcuni degli elettroni si ribaltano all'aumentare dell'energia del sistema. Quando ciò accade, gli spin degli elettroni circostanti vengono perturbati in una certa misura, formando un vortice magnetico che circonda l'elettrone invertito, lo skyrmion.
Gli Skyrmion, che in genere hanno un diametro di circa 1 micrometro o meno, si comportano come una specie di particella che spazza il materiale da un lato all'altro. E una volta che si sono formati, è molto difficile liberarsene. Poiché sono così affidabili, i ricercatori sono interessati a utilizzare il loro movimento per eseguire calcoli e archiviare dati.
Per lo studio, sono state realizzate sottili pellicole magnetiche utilizzando una tecnica che ha creato sottili difetti nel reticolo atomico del materiale. Quando gli skyrmion si formano in un materiale, questi difetti, che i ricercatori chiamano centri di pinning, tengono gli skyrmion saldamente in posizione piuttosto che consentire loro di muoversi come al solito.
Quando uno skyrmion viene tenuto in posizione, le sue dimensioni fluttuano in modo casuale. Se una parte dello skyrmion viene premuta strettamente contro un centro di ancoraggio, il resto dello skyrmion salta avanti e indietro tra il diametro grande e quello piccolo. Questa fluttuazione, che si verifica in modo casuale, può essere misurata e utilizzata per generare numeri casuali.
Il cambiamento nella dimensione dello skyrmion avviene con l'aiuto del cosiddetto effetto Hall anomalo, che è una tensione che si propaga attraverso il materiale. Questa tensione è sensibile alla componente perpendicolare degli elettroni. Quando la dimensione dello skyrmion cambia, la tensione cambia in un grado che è facile da misurare.
I ricercatori hanno calcolato che ottimizzando la distanza tra i difetti nel loro dispositivo, potrebbero produrre fino a 10 milioni di cifre casuali al secondo.
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