Les tourbillons magnétiques sont des tourbillons à l'échelle nanométrique qui tournent comme des toupies, tracer des chemins dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse des aiguilles d'une montre dans des matériaux de l'épaisseur du nanomètre. Sous certaines conditions, ce sens de giration peut basculer à plusieurs reprises, résultant en des schémas comportementaux complexes. Maintenant, une équipe de physiciens en France, dirigé par Joo-Von Kim, Chercheur CNRS au C2N, ont montré que le chaos sous-tend un tel mouvement à l'échelle nanométrique. Cela se traduit par des signaux électriques arbitrairement complexes qui pourraient être utilisés pour générer des nombres aléatoires ou sécuriser des canaux de communication.

Le chaos en physique et en mathématiques décrit un comportement imprévisible qui peut survenir dans un système déterministe. Dans les matériaux magnétiques, le chaos peut être trouvé dans le mouvement d'un tourbillon particulier de moments magnétiques appelé vortex. Ces tourbillons sont caractérisés par un "noyau, " des dizaines de nanomètres de largeur, qui tourne comme une toupie et trace des orbites elliptiques dans le plan des films magnétiques nanométriques d'épaisseur dans lesquels elles résident.

Selon que les moments du noyau pointent « vers le haut » ou « vers le bas » par rapport à ce plan, le noyau peut tourner dans le sens des aiguilles d'une montre ou dans le sens inverse le long de ces orbites, un peu comme l'aiguille des minutes d'une minuterie si elle était autorisée à avancer et à reculer. Sous certaines conditions, les moments centraux peuvent inverser leur orientation, inverser dans le sens de la rotation. Surtout, de tels retournements peuvent devenir chaotiques, ce qui signifie que dans notre analogie avec la minuterie, l'aiguille des minutes pourrait par exemple avancer d'une minute, puis en arrière pour deux, puis avancez à nouveau pendant deux minutes supplémentaires, etc, mais avec une séquence qui ne peut être prédite avec précision sur le long terme.

Dans un premier ouvrage, Publié dans Lettres d'examen physique , l'équipe de Joo-Von Kim et des chercheurs du laboratoire commun de recherche CNRS/Thales, CentraleSupélec et Université de Lorraine, ont montré expérimentalement que ce comportement peut être produit dans un système appelé « oscillateur vortex nanocontact, " où un tel mouvement peut être contrôlé en changeant la force des courants électriques circulant à travers de tels dispositifs. Le système, fabriqué à l'Unité Mixte de Physique (CNRS/Thales), implique une technique de nanoindentation pour créer un canal métallique à l'échelle nanométrique à travers lequel de grandes densités de courant s'écoulent dans une vanne de spin. Ces courants induisent le mouvement chaotique, où les variations de la magnétorésistance capturent la position du noyau du vortex.

Dans un deuxième ouvrage, Publié dans Communication Nature , les chercheurs ont utilisé une technique de filtrage avancée pour démontrer que des modèles de forme d'onde simples peuvent être produits qui se répètent périodiquement ou de manière chaotique en fonction du courant appliqué. Avec le même système expérimental, les chercheurs ont découvert que l'état chaotique de la giration du noyau se traduisait par l'alternance de deux formes d'onde de tension distinctes au fil du temps. Ils ont montré comment mapper ces modèles sur des bits d'information aléatoires à un rythme de cent millions de fois par seconde.

Ces résultats ouvrent des perspectives d'utilisation des nanodispositifs pour générer des modèles chaotiques pour les technologies de l'information. Une mise à l'échelle pour produire un réseau de tels oscillateurs vortex peut être envisagée, ce qui pourrait entraîner des taux de GHz pour la génération de nombres aléatoires sur une seule puce. Les générateurs de nombres aléatoires rapides basés sur le matériel sont utiles pour le cryptage, mais pourrait également trouver une utilisation dans le calcul neuro-inspiré et probabiliste.

Les modèles de forme d'onde reflètent également la dynamique symbolique inhérente du système, qui peuvent être exploitées pour améliorer les rapports signal sur bruit dans les canaux de communication. En couplant de tels oscillateurs vortex à d'autres composants spintroniques, tels que les mémoires magnétiques et les dispositifs à logique de spin, on peut aussi envisager un nouveau paradigme en calcul basse consommation, où la non-volatilité et la complexité de tels systèmes sont combinées.