Les skyrmions, de minuscules anomalies magnétiques qui apparaissent dans les matériaux bidimensionnels, peuvent être utilisés pour générer de véritables nombres aléatoires utiles en cryptographie et en calcul probabiliste.
Que ce soit pour la cybersécurité, les jeux ou les simulations scientifiques, le monde a besoin de véritables nombres aléatoires, mais leur génération est plus difficile qu’on ne le pense. Mais un groupe de physiciens de l’université Brown a mis au point une technique qui peut potentiellement générer des millions de chiffres aléatoires par seconde en exploitant le comportement des skyrmions – de minuscules anomalies magnétiques qui apparaissent dans certains matériaux bidimensionnels.
Leur recherche, publiée dans Nature Communicationsrévèle la dynamique jusqu’alors inexplorée des skyrmions simples, affirment les chercheurs. Découverts il y a environ une demi-décennie, les skyrmions ont suscité l’intérêt de la physique en tant que voie vers la prochaine génération de dispositifs informatiques qui tirent parti des propriétés magnétiques des particules – un domaine connu sous le nom de spintronique.
“Il y a eu beaucoup de recherches sur la dynamique globale des skyrmions, utilisant leurs mouvements comme base pour effectuer des calculs”, a déclaré Gang Xiao, directeur du département de physique de Brown et auteur principal de la recherche. “Mais dans ce travail, nous montrons que les fluctuations purement aléatoires de la taille des skyrmions peuvent également être utiles. Dans ce cas, nous montrons que nous pouvons utiliser ces fluctuations pour générer des nombres aléatoires, potentiellement jusqu’à 10 millions de chiffres par seconde.”
Les tourbillons magnétiques appelés skyrmions fluctuent aléatoirement en taille, un comportement qui peut être exploité pour générer de véritables nombres aléatoires. Crédit : Xiao Lab / Brown University
La plupart des nombres aléatoires produits par les ordinateurs ne sont pas aléatoires au sens strict. Les ordinateurs utilisent un algorithme pour générer des nombres aléatoires à partir d’un point de départ initial, un nombre de départ. Mais comme l’algorithme utilisé pour générer le nombre est déterministe, les nombres ne sont pas vraiment aléatoires. Si l’on dispose de suffisamment d’informations sur l’algorithme ou ses résultats, il est possible de trouver des modèles dans les nombres produits par l’algorithme. Si les nombres pseudo-aléatoires sont suffisants dans de nombreux cas, les applications telles que la sécurité des données – qui utilisent des nombres qui ne peuvent être devinés par une partie extérieure – nécessitent des nombres véritablement aléatoires.
Les méthodes de production de véritables nombres aléatoires s’inspirent souvent du monde naturel. Les fluctuations aléatoires du courant électrique traversant une résistance, par exemple, peuvent être utilisées pour générer des nombres aléatoires. D’autres techniques exploitent le caractère aléatoire inhérent à la mécanique quantique – le comportement des particules à l’échelle la plus infime.
Cette nouvelle étude ajoute les skyrmions à la liste des véritables générateurs de nombres aléatoires.
Un transducteur détecte les petites fluctuations de tension provoquées par la fluctuation aléatoire de la taille des skyrmions. Cette variation de tension aléatoire peut être convertie en une chaîne de chiffres aléatoires. Crédit : Laboratoire Xiao / Université Brown
Les skyrmions proviennent du “spin” des électrons dans les matériaux ultrafins. Le spin peut être considéré comme le minuscule moment magnétique de chaque électron, qui pointe vers le haut, vers le bas ou quelque part entre les deux. Certains matériaux bidimensionnels, dans leurs états d’énergie les plus bas, ont une propriété appelée anisotropie magnétique perpendiculaire – ce qui signifie que les spins des électrons pointent tous dans une direction perpendiculaire au film. Lorsque ces matériaux sont excités par l’électricité ou un champ magnétique, certains des spins des électrons s’inversent à mesure que l’énergie du système augmente. Lorsque cela se produit, les spins des électrons environnants sont perturbés dans une certaine mesure, formant un tourbillon magnétique autour de l’électron retourné – un skyrmion.
Les skyrmions, dont le diamètre est généralement d’environ 1 micromètre (un millionième de mètre) ou moins, se comportent un peu comme une sorte de particule, traversant le matériau de part en part. Et une fois qu’elles sont formées, il est très difficile de s’en débarrasser. Comme elles sont très robustes, les chercheurs souhaitent utiliser leur mouvement pour effectuer des calculs et stocker des données.
Cette nouvelle étude montre qu’en plus du mouvement global des skyrmions à travers un matériau, le comportement local des skyrmions individuels peut également être utile. Pour cette étude, dirigée par Kang Wang, chercheur postdoctoral à Brown, les chercheurs ont fabriqué des films minces magnétiques à l’aide d’une technique qui produit des défauts subtils dans le réseau atomique du matériau. Lorsque des skyrmions se forment dans le matériau, ces défauts, que les chercheurs appellent des centres d’épinglage, maintiennent fermement les skyrmions en place au lieu de leur permettre de se déplacer comme ils le feraient normalement.
Les chercheurs ont découvert que lorsqu’un skyrmion est retenuen place, leur taille fluctue de façon aléatoire. Avec une section du skyrmion maintenue fermement à un centre d’épinglage, le reste du skyrmion saute d’avant en arrière, s’enroulant autour de deux centres d’épinglage proches, un plus proche et un plus éloigné.
“Chaque skyrmion fait des allers-retours entre un grand diamètre et un petit diamètre”, explique Wang. “Nous pouvons mesurer cette fluctuation, qui se produit de manière aléatoire, et l’utiliser pour générer des nombres aléatoires”.
Le changement de taille des skyrmions est mesuré par ce que l’on appelle l’effet Hall anormal, c’est-à-dire une tension qui se propage à travers le matériau. Cette tension est sensible à la composante perpendiculaire des spins des électrons. Lorsque la taille du skyrmion change, la tension varie dans une mesure qui est facilement mesurable. Ces changements de tension aléatoires peuvent être utilisés pour produire une chaîne de chiffres aléatoires.
Les chercheurs estiment qu’en optimisant l’espacement des défauts dans leur dispositif, ils peuvent produire jusqu’à 10 millions de chiffres aléatoires par seconde, fournissant ainsi une nouvelle méthode très efficace pour produire de véritables nombres aléatoires.
“Cela nous donne une nouvelle façon de générer de vrais nombres aléatoires, qui pourrait être utile pour de nombreuses applications”, a déclaré Xiao. “Ce travail nous donne également une nouvelle façon d’exploiter la puissance des skyrmions, en examinant leur dynamique locale ainsi que leurs mouvements globaux.”
Référence : “Single skyrmion true random number generator using local dynamics and interaction between skyrmions” par Kang Wang, Yiou Zhang, Vineetha Bheemarasetty, Shiyu Zhou, See-Chen Ying et Gang Xiao, 7 février 2022, Nature Communications.
DOI: 10.1038/s41467-022-28334-4
Cette recherche a été soutenue par la National Science Foundation (OMA-1936221).
