Student Wydziału Elektroniki Mikrosystemów i Fotoniki konstruuje zegar atomowy. – Buduję model, który będzie tańszy od tych komercyjnych, całą dokumentację planuję udostępnić  w sieci dla wszystkich zainteresowanych – zapowiada Jakub Niemczuk

Jest on studentem 3. roku na kierunku Elektronika i Telekomunikacja. Udziela się w kole naukowym M3, działającym przy W12, w Stowarzyszeniu Entuzjastów Nanotechnologii SPENT i w samorządzie studenckim. 

– Elektroniką interesuję się niemalże od dziecka. Od małego coś tam sobie składałem i sprawdzałem, czy świeci – żartuje Jakub. Ciekawość z czasem zamieniła się jednak w prawdziwą pasję do nauki, którą postanowił rozwijać na Politechnice Wrocławskiej. – Najbardziej lubię projekty, zahaczające o coś takiego, co określa się jako „black magic”. Chodzi o zagadnienia, które są tak skomplikowane obliczeniowo, że tylko specjaliści z dużym bagażem doświadczenia mogą je opracowywać wystarczająco szybko – wyjaśnia.

– Mam jednak świadomość, żeby osiągnąć taki etap trzeba wielu lat nauki i praktyki. Ale dzięki temu można potem pracować w jakiejś cenionej firmie, zajmującej się np. sprzętem pomiarowym i być takim czarodziejem z długą brodą, który elektronikę bierze „na węch” – dodaje student.

Przyznaje, że gdy wybierał uczelnię, myślał o miejscu, gdzie będzie mógł realizować ciekawe projekty badawcze. – Szukałem takiej szkoły, w której stawia się na rozwój i wykorzystywanie  wiedzy teoretycznej w praktyce – mówi Jakub. Na Wydziale Elektroniki  Mikrosystemów i Fotoniki trafił pod skrzydła doktora Pawła Knapkiewicza. – To on podsunął mi pomysł zegara atomowego. Okazało się, że ktoś wcześniej już zaczął ten projekt, ale temat utknął. Postanowiłem więc się nim zająć – opowiada młody elektronik.

Precyzyjny i stabilny wzorzec

Wyjaśnia, że budowa takiego zegara to nie jest żadna nowa technologia. – Raczej nagrody Nobla za to nie dostanę – śmieje się student. Planuje jednak zrobić coś, co będzie służyło innym pasjonatom szeroko rozumianej elektroniki. Chce, aby jego projekt można było zrobić w warunkach domowych, bez wielkich nakładów finansowych.

– Zegary atomowe to niezwykle precyzyjne wzorce czasu i częstotliwości. Używane są tam, gdzie duża dokładność pomiaru ma znaczenie – tłumaczy. Dodaje, że ze wzorcami częstotliwości mamy do czynienia wszędzie, np. w zegarku czy telefonie. Jednakże wzorce mają różną dokładność. – W codziennym życiu, aby nasz zegarek „tykał”, wystarcza nam wzorzec kwarcowy. Ale jeżeli chcemy wystrzelić satelitę na orbitę, bądź używać systemu GPS, potrzeba już bardzo stabilnych wzorców częstotliwości – mówi.  Dodaje, że to między innymi dzięki nim system nawigacji satelitarnej w ogóle działa.  Podobnie jak w kwestii szerokopasmowych sieci komórkowych. – Gdyby nie wzorce atomowe, nigdy nie mielibyśmy tak szybkiego szerokopasmowego internetu, który zasięgiem pokrywa całe miasta.

Objaśnia, dlaczego tak jest na przykładzie wahadła od zegara, którego ruch dostraja się śrubą. – Trudno wyregulować jednak je tak, aby po milionie wahnięć utrzymywało tę samą precyzję. W kwestii zegara atomowego nie ma żadnego dostrajania, bo cały „mechanizm” opiera się zupełnie na czymś innym. Tutaj czas wyznaczany jest na podstawie pomiaru częstotliwości przejścia elektronowego w atomach różnych pierwiastków, takich jak np. rubid, cez. I to jest obecnie najbardziej stabilne źródło częstotliwości dostępne na ziemi – twierdzi Jakub Niemczuk.

Istnieją zegary atomowe dostępne w sprzedaży. Jednak są to systemy niezwykle drogie, od kilku do kilkuset tysięcy dolarów w zależności od dokładności, a ich konstrukcja stanowi tajemnicę danej firmy. – Taki wzorzec przydałby się w większości laboratoriów, aby łatwo było synchronizować aparaturę i robić precyzyjniejsze pomiary. Prowadzone są przecież eksperymenty, gdzie potrzeba dokładnie odmierzyć czas, np. przy kwantowej teleportacji, czy, bardziej przyziemnie, opracowywaniu nowego standardu telefonii komórkowej. Tam każdy błąd na poziomie nano- czy pikosekund może dać fałszywe wyniki – tłumaczy student z W12.

Dlatego buduje zegar, który będzie można wykonać samodzielnie, bez wielkich nakładów finansowych i skomplikowanych narzędzi. A stabilność modelu ma być porównywalna  z zegarami komercyjnymi. Sama technologia jest dosyć skomplikowana, jednak student planuje ją maksymalnie uprościć. Jego zegar ma kosztować około 500 złotych.

Serce zegara to cez

Projekt składa się z lasera, kilku elementów optycznych, fotodiody i dość skomplikowanej elektroniki, która wszystkim steruje. A w centrum układu znajduje się szklana komórka próżniowa zawierająca śladową ilość czystego metalicznego cezu, dokładnie ekranowana przed ziemskim i sztucznym polem magnetycznym.

– Działa to tak, że świecimy laserem przez komórkę z cezem, natężenie światła, które wylatuje z komórki, mierzymy fotodiodą. Jeżeli będziemy zwiększać i zmniejszać prąd zasilający laser, możemy wpływać na właściwości światła, które emituje. Jeżeli ta zmiana będzie zachodziła z odpowiednią częstotliwością, to światło wytwarzane przez laser stanie się „niewidoczne” dla atomów cezu w komórce, przez co więcej dotrze do detektora. W dużym uproszczeniu, będzie tak się dziać tylko dla jednej częstotliwości, ale tu już wchodzimy w zagadnienia fizyki kwantowej. Finalnie na wyjściu mamy jednosekundowe impulsy – wyjaśnia Jakub Niemczuk.

Przyznaje, że jego studia są wymagające, więc nie ma zbyt dużo czasu na realizację tego projektu. Ale udało mu się m.in. samodzielnie wysterować laser i znaleźć wiele tanich części do wykorzystywania w modelu, za które zamiast 100 dolarów zapłacił kilka złotych. Większość elementów z obudowy sam wydrukował na drukarce 3D. – W tej kwestii jestem samowystarczalny – śmieje się student.

Najdroższą częścią całego układu jest referencyjna komórka cezowa, dlatego Jakub opracowuje własną technikę produkcji komórki. Planuje zrobić to prostymi reakcjami chemicznym. A jako laureat olimpiady chemicznej posiada potrzebną wiedzę to przeprowadzania takich działań. Różne rozwiązania testuje w politechnicznym laboratorium na ul. Długiej, gdzie powstaje pracownia do tego typu badań.

– Cały czas się doszkalam, ale też wykorzystuję to, co już umiem. Dla mnie to świetna zabawa, bo należę to ludzi, którzy chyba mają bzika na punkcie nauki. Czasami wygląda to tak, że próbuję coś robić wiele razy i mi nie wychodzi, ale pocieszam się, że Edison ponoć próbował tysiąc razy, zanim wynalazł żarówkę – mówi Jakub Niemczuk z koła naukowego M3.

Iwona Szajner