Seja para uso em cibersegurança, jogos ou simulação cienta­fica, o mundo precisa de números aleata³rios verdadeiros, mas gera¡-los émais difa­cil do que se imagina. Mas um grupo de fa­sicos da Brown University desenvolveu uma técnica que pode gerar milhões de da­gitos aleata³rios por segundo, aproveitando o comportamento de skyrmions ospequenas anomalias magnanãticas que surgem em certos materiais bidimensionais.

Sua pesquisa, publicada na Nature Communications , revela dina¢micas anteriormente inexploradas de skyrmions aºnicos, dizem os pesquisadores. Descobertos hácerca 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 magnanãticas daspartículas osum campo conhecido como spintra´nica.

“Tem havido muita pesquisa sobre a dina¢mica global dos skyrmions, usando seus movimentos como base para realizar ca¡lculos”, disse Gang Xiao, presidente do Departamento de Fa­sica da Brown e autor saªnior da pesquisa. "Mas neste trabalho, mostramos que flutuações puramente aleata³rias no tamanho dos skyrmions também podem ser aºteis. Nesse caso, mostramos que podemos usar essas flutuações para gerar números aleata³rios, potencialmente até10 milhões de da­gitos por segundo. "

A maioria dos números aleata³rios produzidos por computadores não são aleata³rios no sentido mais estrito. Os computadores usam um algoritmo para gerar números aleata³rios com base em um ponto de partida inicial, um número semente. Mas como o algoritmo usado para gerar o número édetermina­stico, os números não são verdadeiramente aleata³rios. Com informações suficientes sobre o algoritmo ou sua saa­da, pode ser possí­vel que alguém encontre padraµes nos números que o algoritmo produz. Embora números pseudoaleata³rios sejam suficientes em muitas configurações, aplicativos como segurança de dados — que usa números que não podem ser adivinhados por terceiros — exigem números aleata³rios verdadeiros.

Os manãtodos de produção de números aleata³rios verdadeiros geralmente se baseiam no mundo natural. Flutuações aleata³rias na corrente elanãtrica que flui atravanãs de um resistor, por exemplo, podem ser usadas para gerar números aleata³rios. Outras técnicas aproveitam a aleatoriedade inerente a  meca¢nica qua¢ntica oso comportamento daspartículas na menor escala.

Este novo estudo adiciona skyrmions a  lista de geradores de números aleata³rios verdadeiros.

Skyrmions surgem do "spin" de elanãtrons em materiais ultrafinos. O spin pode ser pensado como o pequeno momento magnético de cada elanãtron, que aponta para cima, para baixo ou para algum lugar no meio. Alguns materiais bidimensionais , em seus estados de energia mais baixos, tem uma propriedade chamada anisotropia magnanãtica perpendicular ossignificando que os spins dos elanãtrons apontam todos em uma direção perpendicular ao filme. Quando esses materiais são excitados com eletricidade ou um campo magnanãtico, alguns dos spins dos elanãtrons se invertem a  medida que a energia do sistema aumenta. Quando isso acontece, os spins dos elanãtrons ao redor são perturbados atécerto ponto, formando um redemoinho magnético ao redor do elanãtron invertido osum skyrmion.

Skyrmions, que geralmente tem cerca de 1 micra´metro (um milionanãsimo de metro) ou menor em dia¢metro, se comportam um pouco como uma espanãcie de parta­cula, percorrendo o material de um lado para o outro. E uma vez formados, émuito difa­cil se livrar deles. Por serem tão robustos, os pesquisadores estãointeressados ​​em usar seu movimento para realizar ca¡lculos 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 pa³s-doutorado de Brown, Kang Wang, os pesquisadores fabricaram filmes finos magnanãticos 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, mantem os skyrmions firmemente no lugar, em vez de permitir que eles se movam como fariam normalmente.

Os pesquisadores descobriram que quando um skyrmion émantido 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 pra³ximos, um mais pra³ximo e outro mais distante.

“Cada skyrmion salta para frente e para trás entre um dia¢metro grande e um dia¢metro pequeno”, disse Wang. "Podemos medir essa flutuação, que ocorre aleatoriamente, e usa¡-la para gerar números aleata³rios".

A mudança no tamanho do skyrmion émedida atravanãs do que éconhecido como efeito Hall ana´malo, que éuma voltagem que se propaga pelo material. Esta voltagem ésensa­vel ao componente perpendicular dos spins dos elanãtrons. Quando o tamanho do skyrmion muda, a tensão muda a uma extensão que éfacilmente medida. Essasmudanças aleata³rias de tensão podem ser usadas para produzir uma sequaªncia de da­gitos aleata³rios.

Os pesquisadores estimam que, ao otimizar o espaa§amento de defeitos em seu dispositivo, eles podem produzir até10 milhões de da­gitos aleata³rios por segundo, fornecendo um manãtodo novo e altamente eficiente de produzir números aleata³rios verdadeiros .

"Isso nos da¡ uma nova maneira de gerar números aleata³rios verdadeiros , que podem ser aºteis para muitas aplicações", disse Xiao. “Este trabalho também nos da¡ uma nova maneira de aproveitar o poder dos skyrmions, observando suas dina¢micas locais e seus movimentos globais”.