Magnetiska virvlar är nanoskalavirvlar som gyrat som snurr, spåra ut banor medsols eller moturs i nanometertjocka material. Under vissa förutsättningar, denna känsla av gyration kan vända upprepade gånger, vilket resulterar i komplexa beteendemönster. Nu, ett team av fysiker i Frankrike, ledd av Joo-Von Kim, CNRS -forskare på C2N, har visat att kaos ligger till grund för sådan rörelse i nanoskala. Detta leder till godtyckligt komplexa elektriska signaler som kan användas för att generera slumptal eller för att säkra kommunikationskanaler.

Kaos i fysik och matematik beskriver ett oförutsägbart beteende som kan uppstå i ett deterministiskt system. I magnetiska material, kaos kan hittas i rörelsen av en viss virvel av magnetiska ögonblick som kallas en virvel. Dessa virvlar kännetecknas av en 'kärna, "tiotals nanometer i bredd, som gyrates som en snurrande topp och spårar ut elliptiska banor inom planet för de nanometertjocka magnetfilmerna där de bor.

Beroende på om momenten i kärnan pekar uppåt eller nedåt med avseende på detta plan, kärnan kan rotera antingen medurs eller moturs längs dessa banor-ungefär som minutvisaren för en timer om den fick springa framåt och bakåt. Under vissa förutsättningar, kärnmomenten kan vända sin orientering, vändning i betydelsen rotation. Avgörande, sådana vändningar kan bli kaotiska, vilket betyder att i vår timer -analogi, minutvisaren kan till exempel springa framåt i en minut, sedan bakåt för två, sedan framåt igen i två minuter till, och så vidare, men med en sekvens som inte kan förutsägas med noggrannhet på lång sikt.

I ett första verk, publicerad i Fysiska granskningsbrev , teamet av Joo-Von Kim och forskare vid CNRS/Thales gemensamma forskningslabb, CentraleSupélec och University of Lorraine, har experimentellt visat att detta beteende kan produceras i ett system som kallas en "nanokontakt vortexoscillator, "där sådan rörelse kan styras genom att ändra styrkan hos de elektriska strömmar som flödar genom sådana enheter. Systemet, tillverkad vid Unité Mixte de Physique (CNRS/Thales), innebär en nanoindentationsteknik för att skapa en metallkanal i nanoskala genom vilken stora strömtätheter strömmar in i en spinnventil. Dessa strömmar framkallar den kaotiska rörelsen, där variationer i magnetoresistansen fångar virvelkärnans position.

I ett andra verk, publicerad i Naturkommunikation , forskarna använde en avancerad filtreringsteknik för att visa att enkla vågformsmönster kan produceras som antingen upprepas periodiskt eller kaotiskt beroende på den aktuella strömmen. Med samma experimentella system, forskarna upptäckte att det kaotiska tillståndet i kärnans gyration översätts till växlingen mellan två distinkta spänningsvågformer över tiden. De har visat hur man kartlägger dessa mönster till slumpmässiga informationsbitar med en hastighet av hundra miljoner gånger per sekund.

Dessa resultat öppnar möjligheter för att använda nanodepparater för att skapa kaotiska mönster för informationsteknik. Skala upp för att producera en rad sådana virveloscillatorer kan tänkas, vilket kan resultera i GHz -hastigheter för slumptalgenerering på ett enda chip. Hårdvarubaserade snabba slumpgeneratorer är användbara för kryptering, men kan också hitta användning i neuroinspirerad och sannolikhetsberäkning.

Vågformsmönstren återspeglar också systemets inneboende symboliska dynamik, som kan utnyttjas för att förbättra signal / brusförhållanden i kommunikationskanaler. Genom att koppla sådana virveloscillatorer till andra spintroniska komponenter, såsom magnetiska minnen och spinnlogikapparater, man kan också tänka sig ett nytt paradigm inom lågeffektberäkning, där icke-flyktighet och komplexitet hos sådana system kombineras.