Frequenze di risonanza
Il primo passo nel rendere un lavoro orologio atomico si presenta sotto forma di una misura. La risonanza atomica tra (il nucleo di un atomo) e suoi elettroni deve essere determinata. In genere ciò avviene per mezzo di un oscillatore a cristallo, un dispositivo in grado di misurare la risonanza atomica.
Oscillazioni
La cosa più importante da capire quando si tratta di orologi atomici è il principio delle oscillazioni. Proprio come un normale orologio misura il tempo tramite una molla a spirale ed un bilanciere, un orologio atomico misura il tempo tramite il nucleo e gli elettroni di un atomo. Entrambi sono misure derivate da oscillazioni. Anche se esistono diversi tipi di orologi atomici (che significa semplicemente atomici che impiegano l'uso di diversi elementi atomici, solitamente al cesio, rubidio o idrogeno), questa forma di misurazione rimane lo stesso: l'oscillazione tra gli elettroni ed il nucleo dell'atomo.
Blocco di frequenze
L'elemento viene riscaldata e gli atomi passano attraverso un tubo a vuoto, attraverso un campo magnetico. Il campo magnetico è filtra da atomi dello stato energetico appropriato, che vengono quindi passati attraverso un altro campo---un campo di microonde. L'energia di microonda è mantenuto entro un certo range di frequenze. Quando la frequenza delle microonde è proprio sulla destinazione, un rivelatore (all'estremità del tubo) "picchi," blocco questa frequenza delle microonde in--- e garantendo un insieme coerente di oscillazioni. Questo numero viene applicato matematicamente per misurare i secondi.