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      中國科學院物理研究所 M02組供稿 第44期 2019年07月05日
      北京凝聚態物理國家研究中心
      基于納米環磁性隧道結的自旋隨機數發生器

        在當今大數據時代,各行各業對隨機數的需求日益增加,例如,通信領域的信息加密、科學研究中的統計模擬、博彩行業的隨機分配、安全領域的隨機密鑰與身份驗證,都離不開隨機數的運用。在理想情況下,隨機數序列應該是一個彼此之間完全獨立的,“0”和“1”(二進制)以相同概率隨機分布的數字串。而傳統的依靠計算機程序偽隨機數發生器,理論上能夠被破解,因此在信息安全等重要領域不具有實用性。而真隨機數發生器基于器件中發生的物理過程產生隨機數,只要物理過程的隨機性能夠得以保證,其產生的數字序列是不可預測和推算的,這就比偽隨機數在安全性方面更有保障。因此,如何產生高質量的真隨機數,加快其產生速率、提高數值間的非相關性等,就成為隨機數研究領域的重要問題。

        中國科學院物理研究所/北京凝聚態物理國家研究中心磁學國家實驗室M02韓秀峰研究員課題組,一直致力于自旋電子學材料、物理和器件方面的研究。早在2006年,該課題組即制備成功納米環磁性隧道結(NR-MTJ),并通過施加垂直方向的電流,實現了自旋轉移力矩(STT)效應驅動的自由層磁矩翻轉和納米環磁隨機存儲器、以及納米環自旋振蕩器和納米環微波探測器等應用基礎研究[Appl. Phys. Lett. 91 (2007) 122511; Phys. Rev. B 77 (2008) 134432; Phys. Rev. B 77 (2008) 224432;J. Appl. Phys. 103 (2008) 07E933 (Invited); Phys. Rev. Appl. 9 (2018) 454013; Phys. Rev. Appl. 10 (2018) 044067]。上述納米環磁性隧道結及其納米環系列自旋器件的研究積累,也為進一步研制新型納米環自旋隨機數字發生器奠定了材料與物理基礎。

        近期,該課題組進一步在納米環磁性隧道結中觀察到自由層磁矩的回跳(Back Hopping)現象,通過對回跳區域的電阻進行分析,驗證了其電阻的分布是完全隨機的,并從理論上和自旋動力學模擬過程中對該現象進行了解釋,認為磁矩的隨機回跳,是自旋轉移力矩(STT)效應和熱擾動效應共同作用的結果。基于上述結果構造了基于納米環磁性隧道結的真隨機數發生器。課題組首先通過電子束直寫的方式制備了環寬18 nm,外直徑123 nm的納米環磁性隧道結,并進行了如圖1(c)所示的脈沖電流誘導的磁矩翻轉測試。在施加電流較大時,磁矩不再穩定在平行態(或反平行態),而是在平行態和反平行態之間來回切換,即出現磁矩的回跳現象。在考慮熱擾動影響下自旋動力學模擬的結果如圖1(d)所示,同樣在電流較大時,回跳現象得以重現。模擬過程中,體系的能量增加由STT效應和熱擾動共同產生,而如果只考慮STT效應或熱擾動場其中一項,磁矩回跳并不能重現。因此,回跳現象的出現是由STT和熱擾動共同導致的。

        對回跳區域的電阻分布進行統計,如圖1(e)所示,并利用美國NIST公布的隨機性檢測包STS 2.1.1對連續采樣20000次產生的“0”、“1”序列進行隨機性檢測,所有檢測結果均高于特征值,證明由該器件產生的數字序列具有高度可靠的隨機性。該項研究展現出如圖1(f)所示的基于回跳現象的真隨機數發生器的原理型器件,隨機數產率能夠達到100 MHz量級,并能夠勝任50K至室溫的工作環境,且與現有的CMOS電路所兼容,具有重要的應用價值。相關工作已在美國《應用物理快訊》雜志上作為當期的Editor’s Picks發表[J. Y. Qin, X. F. Han et al. Thermally activated magnetization back-hopping based true random number generator in nano-ring magnetic tunnel junctions. Appl. Phys. Lett. 114 (2019) 112401.]。相關研究得到了國家自然科學基金委員會、科技部和中科院有關項目的支持。

      圖1. (a) NR-MTJs的掃描電鏡圖;(b) 基于NR-MTJs的脈沖電流響應特性的測量裝置圖;(c) 實驗上觀察到的STT誘導的磁化翻轉和回跳現象;(d) 自旋動力學模擬得到的3個特征電流下自由層磁矩的狀態;(e) 連續200次區域中電阻的讀取和分布情況;(f) 基于NR-MTJs的真隨機數發生器原理型器件示意圖。

      原文鏈接:https://aip.scitation.org/doi/abs/10.1063/1.5077025

      下載附件>> APL 114, 112401 (2019).pdf
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