I vortici magnetici sono vortici su scala nanometrica che ruotano come trottole, tracciare percorsi in senso orario o antiorario in materiali di spessore nanometrico. A determinate condizioni, questo senso di rotazione può capovolgersi ripetutamente, determinando schemi comportamentali complessi. Ora, un team di fisici in Francia, guidato da Joo-Von Kim, Ricercatore CNRS presso C2N, hanno dimostrato che il caos è alla base di tale movimento su scala nanometrica. Ciò si traduce in segnali elettrici arbitrariamente complessi che potrebbero essere utilizzati per generare numeri casuali o proteggere i canali di comunicazione.

Il caos in fisica e matematica descrive un comportamento imprevedibile che può sorgere in un sistema deterministico. Nei materiali magnetici, il caos può essere trovato nel moto di un particolare vortice di momenti magnetici chiamato vortice. Questi vortici sono caratterizzati da un 'core, " decine di nanometri di larghezza, che ruota come una trottola e traccia orbite ellittiche all'interno del piano delle pellicole magnetiche spesse nanometri in cui risiedono.

A seconda che i momenti del nucleo puntino "su" o "giù" rispetto a questo piano, il nucleo può ruotare in senso orario o antiorario lungo queste orbite, proprio come la lancetta dei minuti di un timer se fosse consentito di correre avanti e indietro. A determinate condizioni, i momenti centrali possono capovolgere il loro orientamento, inversione nel senso di rotazione. In modo cruciale, tali inversioni possono diventare caotiche, il che significa che nella nostra analogia con il timer, la lancetta dei minuti potrebbe ad esempio andare avanti di un minuto, poi indietro per due, poi avanti di nuovo per altri due minuti, e così via, ma con una sequenza che non può essere prevista con precisione a lungo termine.

In una prima opera, pubblicato in Lettere di revisione fisica , il team di Joo-Von Kim e i ricercatori del laboratorio di ricerca congiunto CNRS/Thales, CentraleSupélec e Università della Lorena, hanno dimostrato sperimentalmente che questo comportamento può essere prodotto in un sistema chiamato "oscillatore a vortice nanocontatto, " dove tale movimento può essere controllato modificando la forza delle correnti elettriche che fluiscono attraverso tali dispositivi. Il sistema, fabbricato presso l'Unité Mixte de Physique (CNRS/Thales), prevede una tecnica di nanoindentazione per creare un canale metallico su scala nanometrica attraverso il quale grandi densità di corrente fluiscono in una valvola di spin. Queste correnti inducono il moto caotico, dove le variazioni della magnetoresistenza catturano la posizione del nucleo del vortice.

In un secondo lavoro, pubblicato in Comunicazioni sulla natura , i ricercatori hanno utilizzato una tecnica di filtraggio avanzata per dimostrare che è possibile produrre modelli di forme d'onda semplici che si ripetono periodicamente o caoticamente a seconda della corrente applicata. Con lo stesso sistema sperimentale, i ricercatori hanno scoperto che lo stato caotico della rotazione del nucleo si traduce nell'alternanza di due distinte forme d'onda di tensione nel tempo. Hanno mostrato come mappare questi modelli su bit di informazioni casuali a una velocità di cento milioni di volte al secondo.

Questi risultati aprono nuove strade all'utilizzo di nanodispositivi per generare modelli caotici per le tecnologie dell'informazione. È possibile prevedere un ridimensionamento per produrre una serie di tali oscillatori a vortice, che potrebbe comportare velocità in GHz per la generazione di numeri casuali su un singolo chip. I generatori di numeri casuali veloci basati su hardware sono utili per la crittografia, ma potrebbe anche trovare impiego nel calcolo neuro-ispirato e probabilistico.

I modelli di forma d'onda riflettono anche le dinamiche simboliche intrinseche del sistema, che può essere sfruttato per migliorare i rapporti segnale/rumore nei canali di comunicazione. Accoppiando tali oscillatori a vortice ad altri componenti spintronici, come memorie magnetiche e dispositivi logici di spin, si può anche immaginare un nuovo paradigma nel calcolo a bassa potenza, dove si combinano la non volatilità e la complessità di tali sistemi.