Magnetische wervels zijn wervelingen op nanoschaal die ronddraaien als tollen, paden met de klok mee of tegen de klok in traceren in nanometer dikke materialen. Onder bepaalde omstandigheden, dit gevoel van ronddraaien kan herhaaldelijk omslaan, resulterend in complexe gedragspatronen. Nutsvoorzieningen, een team van natuurkundigen in Frankrijk, onder leiding van Joo-Von Kim, CNRS-onderzoeker bij C2N, hebben aangetoond dat chaos ten grondslag ligt aan dergelijke bewegingen op nanoschaal. Dit vertaalt zich in willekeurig complexe elektrische signalen die kunnen worden gebruikt voor het genereren van willekeurige getallen of het beveiligen van communicatiekanalen.

Chaos in natuurkunde en wiskunde beschrijft een onvoorspelbaar gedrag dat kan ontstaan ​​in een deterministisch systeem. Bij magnetische materialen, chaos kan worden gevonden in de beweging van een bepaalde werveling van magnetische momenten, een vortex genaamd. Deze wervelingen worden gekenmerkt door een 'kern, " tientallen nanometers breed, die ronddraait als een tol en elliptische banen uitstippelt binnen het vlak van de nanometer dikke magnetische films waarin ze zich bevinden.

Afhankelijk van of de momenten van de kern 'omhoog' of 'omlaag' wijzen ten opzichte van dit vlak, de kern kan zowel met de klok mee als tegen de klok in draaien langs deze banen - net als de minutenwijzer van een timer als deze vooruit en achteruit zou kunnen lopen. Onder bepaalde omstandigheden, de kernmomenten kunnen hun oriëntatie omdraaien, omkeren in de zin van rotatie. Cruciaal, dergelijke omkeringen kunnen chaotisch worden, wat betekent dat in onze timer-analogie, de minutenwijzer kan bijvoorbeeld een minuut vooruit lopen, dan achteruit voor twee, dan weer twee minuten vooruit, enzovoort, maar met een opeenvolging die op lange termijn niet met nauwkeurigheid kan worden voorspeld.

In een eerste werk gepubliceerd in Fysieke beoordelingsbrieven , het team van Joo-Von Kim en onderzoekers van het gezamenlijke onderzoekslab CNRS/Thales, CentraleSupélec en Universiteit van Lotharingen, hebben experimenteel aangetoond dat dit gedrag kan worden geproduceerd in een systeem dat een "nanocontact vortex-oscillator" wordt genoemd, " waar een dergelijke beweging kan worden gecontroleerd door de sterkte van de elektrische stromen die door dergelijke apparaten stromen te veranderen. Het systeem, vervaardigd in de Unité Mixte de Physique (CNRS/Thales), omvat een nano-indentatietechniek om een ​​metalen kanaal op nanoschaal te creëren waardoor grote stroomdichtheden in een spinklep stromen. Deze stromen veroorzaken de chaotische beweging, waarbij variaties in de magnetoweerstand de positie van de vortexkern vastleggen.

In een tweede werk gepubliceerd in Natuurcommunicatie , de onderzoekers gebruikten een geavanceerde filtertechniek om aan te tonen dat eenvoudige golfvormpatronen kunnen worden geproduceerd die zich periodiek of chaotisch herhalen, afhankelijk van de toegepaste stroom. Met hetzelfde experimentele systeem, de onderzoekers ontdekten dat de chaotische toestand van de draaiing van de kern zich in de loop van de tijd vertaalt in de afwisseling van twee verschillende spanningsgolfvormen. Ze hebben laten zien hoe deze patronen met een snelheid van honderd miljoen keer per seconde op willekeurige stukjes informatie kunnen worden afgebeeld.

Deze resultaten openen mogelijkheden voor het gebruik van nanodevices om chaotische patronen voor informatietechnologieën te genereren. Opschalen om een ​​reeks van dergelijke vortexoscillatoren te produceren, is denkbaar, wat zou kunnen resulteren in GHz-snelheden voor het genereren van willekeurige getallen op een enkele chip. Op hardware gebaseerde snelle generatoren voor willekeurige getallen zijn handig voor versleuteling, maar kan ook worden gebruikt in neuro-geïnspireerde en probabilistische computing.

De golfvormpatronen weerspiegelen ook de inherente symbolische dynamiek van het systeem, die kunnen worden benut om de signaal-ruisverhoudingen in communicatiekanalen te verbeteren. Door dergelijke vortexoscillatoren te koppelen aan andere spintronische componenten, zoals magnetische geheugens en spinlogica-apparaten, men kan zich ook een nieuw paradigma voorstellen in low-power computing, waar de niet-volatiliteit en complexiteit van dergelijke systemen worden gecombineerd.