Kleine magnetische wervelingen – genaamd skyrmionen – in tweedimensionale materialen kunnen volledig willekeurige getallenreeksen produceren. Die zijn nodig voor cyberveiligheid, wetenschappelijke simulatie-experimenten en computerspellen.
Volledig willekeurige getallenreeksen worden bijvoorbeeld gebruikt om online berichten te versleutelen. Hierdoor kun je er zeker van zijn dat een financiële transactie alleen door je bank bekeken kan worden. ‘Als de gegenereerde getallen niet echt willekeurig zijn, kan het voor iemand mogelijk zijn om patronen in de getallen te vinden’, mailt natuurkundige Kang Wang van de Brown University in de VS. ‘Dan kunnen ongeautoriseerde organisaties toegang krijgen tot je gegevens.’
Echt willekeurige getallenreeksen maken is lastig voor computers. Ze gebruiken daarvoor nu meestal algoritmes die volgens strakke, deterministische regels werken en dus niet ‘écht’ willekeurig zijn. Voor sommige toepassingen is dat geen probleem. Maar bij banktransacties en online poker wil je niet dat de willekeurige cijferreeks te achterhalen is.
‘Ik probeer robots te ontwikkelen die ook echt een nieuwe stap maken’
Hoe werkt vliegen? Dat lijkt een simpele vraag, maar voor luchtvaarttechnicus en bioloog David Lentink is het een levenslange zoektocht.
Skyrmionen
Volledig willekeurige getallen voor computers worden geproduceerd op basis van onvoorspelbare processen, zoals fluctuaties in de omgevingstemperatuur of de atmosfeer. Er zijn zelfs bedrijven die hun willekeurige getallenreeksen baseren op de bewegingen in een lavalamp.
De groep van Wang heeft nu een nieuwe manier ontwikkeld om miljoenen willekeurige cijfers per seconden te produceren. Hiervoor gebruiken de natuurkundigen het willekeurige gedrag van skyrmionen: kleine magnetische verschijnselen die kunnen ontstaan in bepaalde superplatte materialen. Wetenschappers zijn al langer geïnteresseerd in skyrmionen vanwege hun mogelijke toepassing in een volgende generatie computers.
In platte, tweedimensionale materialen kunnen skyrmionen ontstaan door het magnetisch moment ofwel de ‘spin’ van de aanwezige elektronen. Je kunt je die spin voorstellen als een piepklein magneetje met een noord- en een zuidpool. Net als een kompasnaald kan de spin verschillende kanten op wijzen.
Door een elektrisch of een magnetisch veld aan te brengen, veranderen een aantal van deze elektronenspins van richting. Dit zorgt ervoor dat de elektronen eromheen hun spin ook gaan draaien. Zo ontstaat er in het materiaal een soort magnetisch draaikolkje van elektronenspins. Dat wordt een skyrmion genoemd.
Willekeurig wiebelende draaikolkjes
Skyrmionen zijn ongeveer een micrometer groot (een duizendste van een millimeter). Ze zoeven door het materiaal, maar zijn behoorlijk stabiel, waardoor ze niet zomaar verdwijnen.
Om skyrmionen te gebruiken, zetten de onderzoekers ze vast. Hiervoor brengen ze kleine ‘foutjes’ aan in het materiaal. Die foutjes bestaan uit atomen die in de rest van het materiaal niet voorkomen. De foutjes grijpen de skyrmionen aan een kant vast en houden ze op hun plek. Ze bewegen dan niet meer door het materiaal, maar de skyrmionen zitten niet stil. Ze worden af en toe groter en dan weer kleiner.
‘Dit heen en weer springen van het formaat is afhankelijk van kleine temperatuurfluctuaties’, vertelt Wang. ‘Daardoor is het volledig willekeurig.’
De onderzoekers meten de veranderingen van de grootte van het skyrmion door een stroompje door het materiaal te laten lopen. Dat elektrische stroompje reageert op de magnetische spins. De gemeten stroomfluctuaties zetten ze vervolgens om in een reeks willekeurige getallen.
Door hun opstelling verder te optimaliseren, denken de onderzoekers miljoenen willekeurige getallen per seconde te kunnen leveren. ‘We verwachten dat deze techniek in een klein doosje of zelfs op een computerchip zal passen’, zegt Wang. ‘Zo kan die gemakkelijk overal worden ingezet waar willekeurige getallen nodig zijn.’
