Seja para uso em segurança cibernética, jogos ou simulação científica, o mundo precisa de números aleatórios verdadeiros, mas gerá-los é mais difícil do que se imagina. Mas um grupo de físicos da Brown University desenvolveu uma técnica que pode gerar milhões de dígitos aleatórios por segundo, aproveitando o comportamento de skyrmions – pequenas anomalias magnéticas que surgem em certos materiais bidimensionais.
Sua pesquisa, publicada na Nature Communications, revela dinâmicas anteriormente inexploradas de skyrmions individuais, dizem os pesquisadores. Descobertos há cerca de meia década, os skyrmions despertaram o interesse pela física como um caminho para os dispositivos de computação da próxima geração que aproveitam as propriedades magnéticas das partículas – um campo conhecido como spintrônica.
“Tem havido muita pesquisa sobre a dinâmica global dos skyrmions, usando seus movimentos como base para realizar cálculos”, disse Gang Xiao, presidente do Departamento de Física da Brown e autor sênior da pesquisa. “Mas neste trabalho, mostramos que flutuações puramente aleatórias no tamanho dos skyrmions também podem ser úteis. Nesse caso, mostramos que podemos usar essas flutuações para gerar números aleatórios, potencialmente até 10 milhões de dígitos por segundo.”
A maioria dos números aleatórios produzidos por computadores não são aleatórios no sentido mais estrito. Os computadores usam um algoritmo para gerar números aleatórios com base em um ponto de partida inicial, um número semente. Mas como o algoritmo usado para gerar o número é determinístico, os números não são verdadeiramente aleatórios. Com informações suficientes sobre o algoritmo ou sua saída, pode ser possível que alguém encontre padrões nos números que o algoritmo produz. Embora os números pseudoaleatórios sejam suficientes em muitas configurações, aplicativos como segurança de dados – que usa números que não podem ser adivinhados por terceiros – exigem números aleatórios verdadeiros.
Os métodos de produção de números aleatórios verdadeiros geralmente se baseiam no mundo natural. Flutuações aleatórias na corrente elétrica que flui através de um resistor, por exemplo, podem ser usadas para gerar números aleatórios. Outras técnicas aproveitam a aleatoriedade inerente à mecânica quântica – o comportamento das partículas na menor escala.
Este novo estudo adiciona skyrmions à lista de geradores de números aleatórios verdadeiros.
Skyrmions surgem do “spin” de elétrons em materiais ultrafinos. O spin pode ser pensado como o pequeno momento magnético de cada elétron, que aponta para cima, para baixo ou para algum lugar no meio. Alguns materiais bidimensionais, em seus estados de energia mais baixos, têm uma propriedade chamada anisotropia magnética perpendicular – significando que os spins dos elétrons apontam todos em uma direção perpendicular ao filme. Quando esses materiais são excitados com eletricidade ou um campo magnético, alguns dos spins dos elétrons se invertem à medida que a energia do sistema aumenta. Quando isso acontece, os spins dos elétrons ao redor são perturbados até certo ponto, formando um redemoinho magnético ao redor do elétron invertido – um skyrmion.
Skyrmions, que geralmente têm cerca de 1 micrômetro (um milionésimo de metro) ou menor em diâmetro, se comportam um pouco como uma espécie de partícula, percorrendo o material de um lado para o outro. E uma vez formados, é muito difícil se livrar deles. Por serem tão robustos, os pesquisadores estão interessados em usar seu movimento para realizar cálculos e armazenar dados.
Este novo estudo mostra que, além do movimento global de skyrmions em um material, o comportamento local de skyrmions individuais também pode ser útil. Para o estudo, que foi liderado pelo colega de pós-doutorado de Brown, Kang Wang, os pesquisadores fabricaram filmes finos magnéticos usando uma técnica que produziu defeitos sutis na estrutura atômica do material. Quando os skyrmions se formam no material, esses defeitos, que os pesquisadores chamam de centros de fixação, mantêm os skyrmions firmemente no lugar, em vez de permitir que eles se movam como fariam normalmente.
Os pesquisadores descobriram que quando um skyrmion é mantido no lugar, eles flutuam aleatoriamente em tamanho. Com uma seção do skyrmion firmemente presa a um centro de fixação, o resto do skyrmion salta para frente e para trás, envolvendo dois centros de fixação próximos, um mais próximo e outro mais distante.
“Cada skyrmion salta para frente e para trás entre um diâmetro grande e um diâmetro pequeno”, disse Wang. “Podemos medir essa flutuação, que ocorre aleatoriamente, e usá-la para gerar números aleatórios”.
A mudança no tamanho do skyrmion é medida através do que é conhecido como efeito Hall anômalo, que é uma voltagem que se propaga pelo material. Esta voltagem é sensível ao componente perpendicular dos spins dos elétrons. Quando o tamanho do skyrmion muda, a tensão muda a uma extensão que é facilmente medida. Essas mudanças aleatórias de tensão podem ser usadas para produzir uma sequência de dígitos aleatórios.
Os pesquisadores estimam que, otimizando o espaçamento de defeitos em seu dispositivo, eles podem produzir até 10 milhões de dígitos aleatórios por segundo, fornecendo um método novo e altamente eficiente de produzir números aleatórios verdadeiros.
“Isso nos dá uma nova maneira de gerar números aleatórios verdadeiros, que podem ser úteis para muitas aplicações”, disse Xiao. “Este trabalho também nos dá uma nova maneira de aproveitar o poder dos skyrmions, observando suas dinâmicas locais e seus movimentos globais”.
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