Telegraph noise of domain wall dynamics

Abstract

현대 사회에서는 많은 정보, 특히 계좌번호와 같은 1급 개인정보가 디지털 데이터화 되고 있다. 이에 따라 데이터의 암호화에 대한 관심이 높아지고 있는 상황이다. 많은 경우에 컴퓨터 알고리즘을 통해 암호화를 하지만, 이러한 암호화 방식은 일반적으로 고유 입력 값, 즉 '시드(Seed) 값'이 필요하다. 이러한 시드 값은 어떠한 알고리즘으로도 예측할 수 없어야 하므로 소프트웨어를 이용한 생성은 고려대상이 되지 않는다. 따라서 주사위를 굴리거나 동전을 던지는 것과 같은 하드웨어를 사용하는 난수가 필요하다. 이러한 난수 생성을 칩셋과 같은 소형 디바이스로 구현한 것을 진정한 난수 발생기(True Random Number Generator) 또는 하드웨어 난수 발생기(Hardware Random Number Generator) 라고 한다. 진정한 난수 발생기를 설계하려면 난수의 소스를 선택하는 것이 중요하다. 진정한 난수 발생기에 대한 여러 연구들은 좋은 난수 발생기에 적합한 소스를 찾고 적용하는 데 중점을 둔다. 이를 만족시키는 후보들 중 하나는 2레벨 디지털 비트와 유사한 텔레그래프 노이즈(Telegraph Noise)이다. 이 학위논문은 자구벽 운동으로 생성되는 텔레그래프 노이즈를 이해하고 자구벽의 에너지 장벽에 대한 이해를 활용하여 장치의 응용 및 테스트에 초점을 두었다. 그 첫 번째 단계로 텔레그래프 노이즈 측정 시스템을 개발하고 이에 적절한 자성 박막 샘플을 제작하였다. 텔레그래프 노이즈 감지에 특화된 자기광 커 효과 현미경(Magneto-Optic Kerr Effect Microscope)이 개발되었으며, 자기장 및 전류인가 자구벽 운동이 자연스럽게 이루어지는 샘플이 선택되었다. 그리고 자구벽 디피닝(depinning) 현상의 제어 및 반복 가능한 측정 방법이 확립되었다. 그런 다음, 자구벽 에너지 장벽과 자기장 혹은 전류와 같은 외부 입력 사이의 관계를 규명하기 위해, 여러 자기장과 전류 조건에서의 자구벽 에너지 장벽을 이해하는 실험을 수행했다. 텔레그래프 노이즈의 디피닝 시간의 통계와 아레니우스 (Arrhenius)법칙을 상정하여, 여러 조건에서의 자구벽 에너지 장벽 값을 구해냈다. 그리고 에너지 장벽의 해석적인 유도를 통해 이러한 관계의 물리적인 이해를 도모했다. 다음으로 아레니우스 법칙이 자구벽 운동에서 실제로 작동하는지 확인하였다. 이를 위해 온도 변화가 가능한 시스템이 구축되어야 했으며, 이를 구현하여 넓은 온도 범위에서 원활히 작동하는지 확인하였다. 텔레그래프 노이즈로부터 얻어진 통계치의 온도 의존성은 아레니우스 법칙을 잘 설명하는 결과를 보여주었다. 마지막으로 자구벽 텔레그래프 노이즈로부터 얻어진 난수를 테스트했다. 비트의 확률 및 자기상관과 같은 기본 테스트가 수행되었으며 진정한 랜덤 비트를 생성해내는 적절한 자기장 및 전류 조건을 찾아냈다. 가설 검정을 통한 난수 발생기의 테스트 또한 이루어졌다. 그리고 앞에서 이루어진 에너지 장벽에 대한 이해를 접목시켜, 예측 불가능하고 빠른 난수 발생기를 위한 이론적 접근을 시도하였다. 이러한 전신 노이즈를 이해하고 테스트하기 위한 연구는, 장효과 트랜지스터(Field Effect Transistor), 멤리스터 (Memristor) 또는 자기 터널 접합(Magnetic Tunnel Junction)와 같은 기존의 텔레그래프 노이즈 기반 난수 발생기 연구에서 한 발 나아가, 새로운 형태인 자구벽 기반의 진정한 난수 발생기를 개발하는 출발점이 될 것으로 기대한다.

In modern society, a lot of information, especially first-class personal information such as account numbers, is digitalized and converted into data. Accordingly, interest in data encryption has emerged. Often, a lot of data can be encrypted with a computer algorithm, but these commonly require an original input value, that is, a 'seed number'. Because the seed number should be unpredictable, it is inevitable to exclude the software algorithm. So, a random number using hardware such as rolling a dice or tossing a coin is required. Device implementation of those things is called true random number generator or hardware random number generator. In order to design a true random number generator, it is important to choose the source of the random number. Studies on true random number generators focus on finding and applying those sources that are appropriate for a good random number generator. One of candidates is telegraph noise which resembles two-level digital bits. This thesis is dedicated to understanding the telegraph noise of magnetic domain wall motion and testing for device applications utilizing the understanding of the energy barrier of magnetic domain wall. It is the first step to develop the measurement system and to fabricate appropriate samples. Microscope specialized in detecting telegraph noise was developed and sample was chosen for field and current-induced domain wall motion. A method to measure the telegraph noise was established for controllable and repeatable measurements of domain wall depinning phenomena. Other appendices to measurement are also presented. Then, the experiment for understanding the energy barrier of magnetic domain wall in different magnetic fields and electric current conditions was conducted to study the relation between the energy barrier and these external inputs. Some of the physical origins were found through derivation of the energy barrier. Next, Arrhenius law of activation was confirmed. Setup for temperature experiment was designed suitable for the temperature variation. Temperature dependence of statistics of telegraph noise verified the activation law of overcoming energy barrier. Finally, the random numbers of domain wall telegraph noise were tested. Basic tests such as probability and autocorrelation of the bits were carried out and appropriate field and current conditions for true random bits are found. In combination with the understanding of energy barrier, conditions for an unpredictable and fast random number generator were proposed. These research to understand and test the telegraph noise can be starting point to develop the true random number generator based on magnetic domain wall, which is an exclusive form of telegraph noise source other than FET, memristor, or magnetic tunnel junction.