Un reloj atómico común consta de una cavidad en la que el elemento central (normalmente el isótopo cesio 133) se calienta para liberar sus átomos. Los átomos liberados poseen cargas eléctricas variables. Estos átomos pasan a través de un tubo de vacío en cuyo interior existe un campo magnético que los filtra dejando pasar solo a los átomos con el estado energético correcto.

Los átomos seleccionados (de baja energía) pasan más tarde a través de un campo de microondas concentrado, producido por un transmisor que es controlado por un oscilador de cristal de cuarzo configurado para vibrar a 9.192.631.770 Hertz (o ciclos) por segundo. La frecuencia del campo de microondas no es siempre exacta y oscila con respecto a la vibración requerida, pero esta variación es siempre mínima y en algún punto de cada ciclo se consigue siempre alcanzar la frecuencia correcta.

Un átomo cambia a un estado de alta energía solo si pasa a través del campo de microondas en el momento en que se alcanza la frecuencia correcta. Estos átomos, que han variado su estado energético, son más tarde detectados y controlados por un dispositivo que se encuentra al final del tubo de vacío.

En ese momento, otro campo magnético ordena y filtra los átomos para identificar a los que tienen el estado energético correcto. Si el conteo de estos átomos no alcanza el nivel de un umbral establecido, eso significa que el oscilador de cristal no está funcionando correctamente por lo que se le ajusta para que transmita a la frecuencia correcta. En un dispositivo aparte, se convierte luego la frecuencia de oscilación a pulsos de exactamente un segundo cada uno.

Visto en Tech-faq.com

Crédito foto Science Museum: primer reloj atómico de la historia (su variación era de un segundo cada 300 años). Compárese con las maravillas que hoy en día produce la miniaturización (se adelanta o retrasa un segundo cada 10.000 años).