理解随机性：研究人员将纳米磁性结构中的决策可视化

随着世界对计算和人工智能的能源需求不断增加，开发传统计算的替代低功耗解决方案变得至关重要。可靠地产生随机性或随机性的设备对于许多计算应用程序至关重要。

在一项新的研究中，美国能源部阿贡国家实验室的科学家们公布了一种理解微小磁结构随机性的新方法。他们的工作探索了纳米磁性高尔顿板的复杂决策过程，这是对统计学和计算中经典概念的现代诠释。

他们发表在《物理评论快报》上的见解有可能改变计算架构，导致更复杂的神经网络能够像人脑一样学习和适应，并增强加密技术，以保护数据免受日益复杂的网络威胁。

高尔顿板以英国数学家弗朗西斯·高尔顿爵士的名字命名，是一种使用三角形木桩阵列演示统计原理的装置。当球穿过网格时，它们会随机向左或向右反弹，最终落在底部的某个地方。

这个过程通过展示当球从板上落下时，大多数球如何向中心堆积，从而形成一条类似于正态分布的钟形曲线，来说明中心极限定理。它展示了随机过程如何导致可预测的模式。

在之前的研究中，法国巴黎萨克雷大学的研究人员基于这一经典概念，开发了一种纳米磁性版本的高尔顿板。这些板使用由镍铁合金制成的微小磁性结构，而不是钉子。它们使用畴壁而不是球，畴壁是分隔材料内具有不同磁取向的区域的边界。

这些畴壁被注入到设备中，并通过施加的磁场引导穿过结构。当他们接近交叉路口时，他们必须随机决定向左或向右移动，模仿经典的高尔顿板过程。

阿贡国家实验室的材料科学家哈努·阿拉瓦说：“纳米磁性高尔顿板是对经典概念的迷人改编，使我们能够探索纳米级的随机性。”。

由于磁性和其他外部影响的微小变化，每个畴壁在每个结处的路径是随机的。这种随机性，一种受控的随机性，可以用于计算。到目前为止，磁畴随机性背后的确切原因尚未完全清楚。

阿贡国家实验室的研究人员使用洛伦兹透射电子显微镜实时可视化了畴壁的决策过程。这种最先进的成像技术使他们能够直接观察畴壁如何在纳米磁性结构内导航。Arava解释说：“我们实际上可以看到域壁是如何实时做出决策的，为它们的随机行为提供了直接证据。”。

该成像揭示了影响畴壁运动的随机性的三个关键因素：注入畴壁的拓扑结构、结的几何形状和施加磁场的强度。

拓扑是指畴壁内磁结构的性质，这会影响其行为和相互作用。研究人员发现，磁涡在畴壁中的循环方向（顺时针或逆时针）可以决定畴壁在交界处是向左还是向右。

在纳米磁性高尔顿板中，结是指畴壁遇到决策点的Y形交叉点。这项研究表明，结的尺寸和形状会影响结可以支撑的畴壁的复杂性。较大的顶点可以支持更复杂的域墙，从而导致路径选择的随机性。

磁场用于驱动畴壁穿过结构。发现该场的强度通过影响畴壁的行为和运动来影响随机性。此外，还有一个临界场强，称为沃克击穿阈值。

低于此阈值，域壁在结构中稳定移动并保持其拓扑特性。但超过这个阈值，畴壁可以进行进动运动，其中壁内的磁矩围绕施加场的方向旋转。这会导致更复杂、更不可预测的行为，增加随机性。

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通过利用磁性材料中畴壁运动的自然随机性，研究人员旨在创建能够以最小的能耗完成复杂决策任务的节能计算系统。与通常需要额外组件来产生随机性的传统计算不同，这种方法利用了材料的内在特性。“我们的发现为计算的未来开辟了令人兴奋的可能性，”阿贡微电子研究所材料科学部主任兼主任Amanda Petford-Long说。“这项工作体现了我们在阿贡国家实验室正在进行的创新研究，旨在突破微电子的界限，开发能够满足日益增长的节能计算需求的技术。”