基于超顺磁隧道结的纳秒真随机数生成——焦耳热与自旋转移矩效应的辨识
介观与纳米尺度物理
2023-01-16 v1
摘要
本研究探究了直径为 50 nm 的面内磁化磁隧道结（MTJ）中的纳秒超顺磁翻转。由于较小的面内单轴各向异性，对于圆形超顺磁隧道结（SMTJ）测得了低于 10 ns 的驻留时间与低至 5 ns 的自相关时间。SMTJ 表现出磁自由层的随机翻转，可用于生成真随机数。由我们的 SMTJ 生成的随机比特流的质量通过统计测试套件（NIST STS, sp 800-22）评估，并在四个随机 SMTJ 比特流三次异或操作后展现出真随机性。提出了一种低占用面积的 CMOS 电路用于快速且节能的随机数生成。我们证明，1 或 0 的概率可通过自旋转移矩（STT）调节，而平均比特生成速率主要受经由焦耳热的电流密度影响。尽管这两种效应在 MTJ 中始终存在，焦耳热却最常被忽略。然而，在电阻面积（RA）乘积为 15 m、电流密度量级为 1 MA/cm 时，隧穿位置处升高的温度导致翻转速率显著增加。由于焦耳热与 STT 随电流密度的标度不同，可基于我们的发现优化器件设计。
引用
@article{arxiv.2301.05694,
title = {Nanosecond True Random Number Generation with Superparamagnetic Tunnel Junctions -- Identification of Joule Heating and Spin-Transfer-Torque effects},
author = {Leo Schnitzspan and Mathias Kläui and Gerhard Jakob},
journal= {arXiv preprint arXiv:2301.05694},
year = {2023}
}