Këto vorbulla magnetike mund të zhbllokojnë numrat e vërtetë të rastësishëm të takohen me “skyrmion” – një teknologji përparimtare për kriptografinë dhe komunikimet e sigurta?

Ka kaluar pothuajse një dekadë që kur artikujt e lajmeve filluan të shfaqen për diçka në ruajtjen e të dhënave të quajtura skyrmions – modele të vogla rrotulluese magnetike në filma të hollë. Këto rrotullime magnetike rrotulluese ishin propozuar më shumë se 60 vjet më parë nga fizikani britanik Tony Skyrme – nga i cili rrjedh edhe emri – por papritmas ato u dukën një ndryshim i mundshëm i lojës për sistemet magnetike të ruajtjes së të dhënave.

Tani një ekip studiuesish në Universitetin Brown kanë gjetur një mënyrë të re për të përdorur skyrmions për një aplikacion krejtësisht të ri: gjenerimin e numrave të vërtetë të rastësishëm, të cilët janë të dobishëm në kriptografi, komunikime të sigurta dhe llogaritje probabilistike.

Skyrmionet krijohen nga rrotullimet e elektroneve në materiale tepër të holla. Mendoni për rrotullimet e elektroneve si shigjeta të vogla që përfaqësojnë orientimin magnetik të grimcës (ose momentin magnetik) ndërsa ajo tregon lart, poshtë ose diku në mes. Kur disa materiale jashtëzakonisht të holla, në thelb dy-dimensionale janë në gjendjen e tyre më të ulët të energjisë, ato posedojnë një veti të njohur si anizotropi magnetike pingule, që do të thotë se orientimi i magnetizimit ka një drejtim të preferuar. Nëse aplikoni energji elektrike ose fushë magnetike në një material 2D në këtë gjendje, disa rrotullime elektronesh do të rrotullohen. Si rezultat, elektronet përreth rrotullohen përreth, duke krijuar një vorbull magnetike rreth elektronit të kthyer: një skyrmion.

Ndërsa skyrmions dikur premtonin si media të mundshme për ruajtjen e të dhënave në të ardhmen, disa ndërlikime u shfaqën gjatë rrugës. Një ndërlikim ka të bëjë me një fenomen që ndodh kur vendosni një fushë magnetike pingul me rrafshin e një përcjellësi. Rrjedha e rrymës në përcjellës zhvendoset, duke krijuar një ndryshim të matshëm në tension. Dhe megjithëse mund të tingëllojë misterioze, i ashtuquajturi efekt Hall është sot elementi thelbësor pas disa teknologjive GPS, komponentëve të smartfonëve dhe motorëve DC pa furçë.

Studiuesit filluan të punojnë në ide të tilla si përdorimi i lëvizjes Brownian (lëvizja konstante e atomeve dhe molekulave ndërsa ato kërcejnë nga njëra-tjetra në një lëng ose një gaz) të skyrmioneve për përdorim në pajisje të tilla si një riorganizues për llogaritjen stokastike, në të cilat bitet e rastësishme janë përdoret për të llogaritur nëpërmjet qarqeve të thjeshta. Fatkeqësisht, pajisje të tilla kërkonin edhe gjeometri komplekse dhe parashtronin problemet e tyre në ushtrimin e kontrollit të saktë mbi lëvizjen e skyrmionit.

I patrembur, Kang Wang, një bashkëpunëtor kërkimor postdoktoral në Universitetin Brown, u frymëzua nga kjo linjë e fundit e kërkimit.

“Ne dolëm me idenë për të përfituar nga defektet në magnet, të cilat zakonisht konsiderohen të jenë një dobësi në pajisjet tradicionale skyrmion, dhe të prezantojmë sjelljen dinamike lokale të një skyrmion për ta bërë atë një gjenerator të fuqishëm të vërtetë të numrave të rastit,” thotë. Wang.

Studiuesit Brown fabrikuan filma të hollë magnetikë duke përdorur një teknikë që prodhoi defekte delikate në rrjetën atomike të materialit. Këto defekte krijohen duke manipuluar kushtet e rritjes për filmat, si p.sh. duke modifikuar trashësinë e shtresave në rajone tipike për të bllokuar skyrmionet në këto defekte, të njohura si qendrat e fiksimit.

Duke mbajtur skyrmionet në këto qendra fiksuese, vorbullat me madhësi nano fillojnë të luhaten në mënyrë të rastësishme në madhësi. Ndërsa një pjesë e skyrmionit është mbajtur fort në një qendër fiksimi, pjesa tjetër e skyrmionit kërcen përpara dhe mbrapa, duke mbështjellë rreth dy qendrave ngjitëse aty pranë, një më afër dhe një më larg. Ky kërcim i rastësishëm përpara dhe mbrapa i skyrmioneve nga një diametër i madh në një diametër të vogël mund të matet. Matja e këtyre luhatjeve është ajo që gjeneron numrat e rastësishëm.Ndryshimi në madhësinë e skyrmionit matet përmes efektit Hall. Kur ndryshon madhësia e skyrmionit, voltazhi ndryshon deri në pikën ku mund të matet lehtësisht. Këto ndryshime të rastësishme të tensionit përdoren më pas për të prodhuar një varg shifrash të rastësishme.Studimet fillestare të simulimit të kryera nga studiuesit tregojnë se kjo qasje duhet të jetë lehtësisht e shkallëzueshme.

“Sistemi skyrmion mund të bëhet lehtësisht me procese të thjeshta të rritjes dhe fabrikimit të mostrës,” thotë Wang. “Për më tepër, gjeneratori i vërtetë i numrave të rastësishëm skyrmion mund të integrohet me pajisje të tjera skyrmion në një dietë të vetme për zbatimin e arkitekturave në memorie dhe kompjuterike.”