【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及真随机，具体涉及基于斯格明子的n位真随机数生成器及其制备方法、应用和设备。
技术介绍
1、真随机数生成器(trng，true random number generator)是一种通过物理过程生成随机数的设备，在网络安全和随机/概率计算等领域的应用中引起了广泛关注，可参考：liu et al.,ieee trans.circuits syst.i,reg.papers 64,133-144(2017)；johnson etal.,ieee trans.circuits syst.ii,exp.briefs 64,452-456(2017)；alaghi et al.,ieee trans.comput.-aideddesign integr.circuits syst.37,1515-1531(2018)；songet al.,nat.electron.3,148-155(2020)；prychynenko et al.,phys.rev.applied 9,014034(2018)；bourianoff et al.,aip adv.8,055602(2018)；yao et al.,ieeetrans.electrondevices 67,2553-2558(2020)。
2、大多数真随机数生成器(trng)利用热噪声、光电效应以及其他量子现象等随机现象，可参考：liu et al.,ieee trans.circuits syst.i,reg.papers 64,133-144(2017)；pet
3、真随机数生成器包含数字真随机数生成器和模拟真随机数生成器，可参考：yanget al.,ieeej.solid-state circuits 51,1022-1031(2016)；abutaleb et al.,nanocommun.netw.17,14-20(2018)。数字真随机数生成器主要基于伪随机噪声的物理源，可参考：alcin etal.,int.j.circuit theory appl.47,365-378(2019)；yang et al.,ieeej.solid-state circuits 51,1022-1031(2016)；liu et al.,proc.ieee18thint.conf.nanotechnol.(ieee-nano)1-4(2018)。数字真随机数生成器在工作中可能面临一些问题，诸如严重的概率偏差、结构过于复杂、面积过大、功耗过高等。相比之下，模拟真随机数生成器通常基于具有固有热噪声或光电效应的物理源，这些物理源具有真正的随机性，可参考：liu etal.,ieee trans.circuits syst.i,reg.papers 64,133-144(2017)；petrie et al.,ieee trans.circuits syst.i,fundam.theory appl.47,615-621(2000)；uchida etal.,nat.photon.2,728-732(2008)。自旋电子系统因其低功耗和高速度的真随机数生成器的硬件实现而备受关注；基于忆阻器和磁隧道结(mtjs)的各种trngs已经被提出并在实验中实现，可参考：qu et al.,proc.design,autom.testeur.conf.exhib.(date)606-609(2017)；liu et al.,proc.ieee 18th int.conf.nanotechnol.(ieee-nano)1-4(2018)；uchida et al.,nat.photon.2,728-732(2008)；friedman et al.,ieeetrans.electron devices 61,1207-1210(2014)；vatajelu et al.,proc.ieee 22ndint.symp.online test.robust syst.design(iolts)179-184(2016)。
4、磁斯格明子(magnetic skyrmions)是拓扑保护的准粒子，并且已经成为硬件实现真随机数生成器(trngs)的一个有前景的候选者，可参考：yao et al.,ieeetrans.electron devices67,2553-2558(2020)；wang et al.,nat.commun.13,722(2022)。人们已经提出一种基于热效应下的斯格明子的布朗运动的真随机数生成器，可参考：yaoet al.,ieee trans.electron devices67,2553-2558(2020)。在磁系统的左侧或右侧存在斯格明子时，分别产生比特“0”和“1”。信号可通过分别在每个部分独立实现的两个磁隧道结(mtj)来读取。在实验中成功实现这样的器件可能会面临简化器件几何形状、减小器件尺寸和读取信号的挑战。斯格明子具有一些有趣的特性，包括在磁系统中的移动性、可逆极性、与其他斯格明子的相互作用，以及与其他斯格明子器件集成的能力，以实现内存中的逻辑计算设备。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供基于斯格明子的n位真随机数生成器及其制备方法、应用和设备，通过引入局部钉扎中心来修改限制斯格明子的空间能量势垒，从而操纵斯格明子的局部动态行为，生成n位真随机数。
2、为实现上述目的，本专利技术提供的技术方案是：
3、本申请的第一方面提供了基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，包括：
4、提供能够承载斯格明子的磁系统；
5、在所述磁系统实施局部钉扎中心；
6、在所述磁系统生成具有局部动态行为的斯格明子，得到基于斯格明子的n位真随机数生成器；
7、通过以上步骤引入局部钉扎中心来修改限制斯格明子的空间能量势垒，从而操纵斯格明子的局部动态行为，生成n位真随机数
8、为优化上述技术方案，采取的具体限定还包括：
9、所述的磁系统为微约束结构或纳米约束结构；所述的磁系统采用块状或薄膜材料；所述块状或薄膜材料为具有手性、极性或d2d对称性的磁体，如mnsi、fege、fe1-xcoxsi、cu2oseo3、co-zn-mn合金、gav4s8、vose2o5，或既具备几何受挫性质又具备手性的磁体，如瑞典硼酸盐cabaco2fe2o7、亚铁磁体、反铁磁体；所述的磁系统包括至少一个磁性层；所述磁性层为铁磁性层、亚铁磁性层或反铁磁性层；所述的磁系统的磁性层能够通过去磁场或磁性层之间的层间交换耦合进行耦合，如金属、半导体或绝缘体。
10、进一步本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的磁系统为微约束结构或纳米约束结构；所述的磁系统采用块状或薄膜材料；所述块状或薄膜材料为具有手性、极性或D2d对称性的磁体，或既具备几何受挫性质又具备手性的磁体；所述的磁系统包括至少一个磁性层；所述磁性层为铁磁性层、亚铁磁性层或反铁磁性层。
3.根据权利要求2所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述磁性层包括：与磁性层相邻的非磁性层，其界面提供稳定斯格明子的反对称交换相互作用；被非磁性层和氧化物层夹在中间的磁性层，该磁性层具有可通过生长和退火条件调节的磁性；与磁性层相邻的氧化物层，其界面受生长和退火条件的影响，决定了磁性层的垂直磁各向异性；用于防止底层在暴露于大气中进一步氧化的覆盖层。
4.根据权利要求1所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的局部钉扎中心通过以下至少一种方法引入：修改磁系统的结构、成分或生长条件以操纵在磁系统生长过程中自然产
5.根据权利要求1所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的局部动态行为包括以下至少一种：斯格明子与局部钉扎中心的相互作用，其中一个钉扎中心相对强烈地固定住斯格明子的一部分，而斯格明子的另一部分在热效应下在两个相对较弱的钉扎位点之间随时间波动；斯格明子在两个以上离散状态之间的波动。
6.根据权利要求1所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的斯格明子通过以下至少一种方法生成：修改施加的磁场，应用电流，应用电压，应用自旋波，应用声波，使用激光，使用热脉冲；所述的斯格明子具有以下特性中的至少一种：属于奈尔型或布洛赫型，具有1或-1的拓扑电荷，直径大小为纳米或微米级，可被其他磁性结构替代；斯格明子通过以下至少一种方法读取：霍尔效应电子测量，隧道磁阻测量，使用磁性显微镜进行直接磁成像。
7.根据权利要求1所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：基于斯格明子的N位真随机数生成器的切换概率通过以下至少一种方法进行调节：施加的磁场，施加的电流，电压，磁子；基于斯格明子的N位真随机数生成器的切换波动率通过以下至少一种方法进行调节：改变温度，修改钉扎中心的空间分布和钉扎强度，修改斯格明子的配置；基于斯格明子的N位真随机数生成器的切换波动率在每秒1012到10-2的范围内进行调节。
8.权利要求1-7任一项所述的方法得到的基于斯格明子的N位真随机数生成器。
9.将权利要求8所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器通过与器件集成，用于信号读取和处理的方法。
10.采用权利要求8所述的基于斯格明子的N位真随机数生成器的设备。
...【技术特征摘要】
1.基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，其特征在于，包括：
2.根据权利要求1所述的基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的磁系统为微约束结构或纳米约束结构；所述的磁系统采用块状或薄膜材料；所述块状或薄膜材料为具有手性、极性或d2d对称性的磁体，或既具备几何受挫性质又具备手性的磁体；所述的磁系统包括至少一个磁性层；所述磁性层为铁磁性层、亚铁磁性层或反铁磁性层。
3.根据权利要求2所述的基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述磁性层包括：与磁性层相邻的非磁性层，其界面提供稳定斯格明子的反对称交换相互作用；被非磁性层和氧化物层夹在中间的磁性层，该磁性层具有可通过生长和退火条件调节的磁性；与磁性层相邻的氧化物层，其界面受生长和退火条件的影响，决定了磁性层的垂直磁各向异性；用于防止底层在暴露于大气中进一步氧化的覆盖层。
4.根据权利要求1所述的基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的局部钉扎中心通过以下至少一种方法引入：修改磁系统的结构、成分或生长条件以操纵在磁系统生长过程中自然产生的钉扎中心；修改生长后处理过程以操纵自然存在的钉扎中心；在磁系统的结构中引入孔洞、磁系统厚度调制、嵌入磁系统的结构中的杂质原子以及粘附在表面的吸附原子，以实现人工局部钉扎中心；使用局部应变、电压或电流来修改磁性能的空间变化，从而在斯格明子上产生局部钉扎效应。
5.根据权利要求1所述的基于斯格明子的n位真随机数生成器的制备方法，其特征在于：所述的局部动态...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴小山，王康，张喆，
申请(专利权)人：南通南京大学材料工程技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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