Ένα ατομικό ρολόι είναι μια συσκευή μέτρησης χρόνου υψηλής ακρίβειας που βασίζεται στο γνωστό πρότυπο συχνότητας ενός στοιχείου για να σηματοδοτήσει το πέρασμα του χρόνου. Κάθε στοιχείο εκπέμπει παλμούς σε γνωστά διαστήματα σε διαφορετικές συχνότητες, και αυτές οι εκπομπές είναι εξαιρετικά σταθερές και πολύ κανονικές. Με τη βοήθεια αυτών των παλμών, είναι δυνατό να διατηρηθεί ο χρόνος με μεγάλη ακρίβεια. Ο χρόνος μπορεί να σημειωθεί με τόση ακρίβεια, στην πραγματικότητα, που το διεθνές πρότυπο για τον ορισμό του δευτερολέπτου βασίζεται στο καίσιο 133, ένα στοιχείο που χρησιμοποιείται στα πιο ακριβή ατομικά ρολόγια στον κόσμο.
Τα ατομικά ρολόγια βασίζονται στη χρήση ενός ταλαντωτή που είναι συντονισμένος στη συχνότητα στην οποία συμβαίνουν οι εκπομπές. Σε ένα εξαιρετικά ελεγχόμενο περιβάλλον σχεδιασμένο να εξαλείφει όσο το δυνατόν περισσότερη αβεβαιότητα, ο ταλαντωτής ανταποκρίνεται στους παλμούς που παράγονται από το στοιχείο που χρησιμοποιείται στο ατομικό ρολόι. Αν και πολλοί άνθρωποι συνδέουν την «ατομική» με την πυρηνική ακτινοβολία, ένα ατομικό ρολόι δεν χρησιμοποιεί στην πραγματικότητα στοιχεία που παράγουν επικίνδυνη ακτινοβολία.
Το πρώτο ατομικό ρολόι αναπτύχθηκε το 1948. Δεν ήταν τρομερά ακριβές, αλλά απέδειξε ότι οι θεωρίες που αναπτύχθηκαν στις προηγούμενες δεκαετίες ήταν στην πραγματικότητα αληθινές και ήταν δυνατό να κατασκευαστεί ένα ρολόι που χρησιμοποιούσε το πρότυπο συχνότητας ενός στοιχείου ως μέτρο μέτρησης χρόνου . Οι ερευνητές ανέπτυξαν γρήγορα πιο ακριβή ρολόγια και τελικά μια σειρά από ρολόγια βρύσης καισίου χρησιμοποιήθηκαν σε όλο τον κόσμο, διατηρώντας την Παγκόσμια Τυπική ώρα, τη βάση που χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της ώρας. Αυτά τα ρολόγια χρησιμοποιούνται από εθνικές κυβερνήσεις και επιστημονικά εργαστήρια για να διασφαλίσουν ότι η χρονομέτρησή τους είναι ακριβής και ομοιόμορφη.
Τα εργαστήρια χρησιμοποιούν ατομικά ρολόγια για να διατηρούν την ώρα υψηλής ακρίβειας. Ορισμένες εταιρείες πωλούν επίσης ρολόγια που χαρακτηρίζονται ως «ατομικά» στους καταναλωτές. Αυτά τα ρολόγια είναι στην πραγματικότητα ρολόγια ραδιοφώνου. επικοινωνούν με άλλα ατομικά ρολόγια για να κρατήσουν τον χρόνο, αντί να είναι τα ίδια ατομικά ρολόγια. Ενώ αυτά τα ρολόγια μπορεί να είναι πολύ ακριβή, υπάρχει ένα περιθώριο λάθους που τα καθιστά ακατάλληλα για επιστημονική χρήση.
Στις Ηνωμένες Πολιτείες, το Εθνικό Ινστιτούτο Προτύπων και Τεχνολογίας (NIST) διατηρεί ένα ατομικό ρολόι καισίου σε ένα εργαστήριο που βρίσκεται στο Boulder του Κολοράντο, το οποίο χρησιμοποιείται ως ένα από τα πολυάριθμα ρολόγια που συμβάλλουν στη συντονισμένη χρονομέτρηση που χρησιμοποιείται για την παρακολούθηση των διεθνών Ατομική ώρα. Άλλα συμμετέχοντα εργαστήρια μπορούν να βρεθούν σε τοποθεσίες όπως η Βρετανία, η Αυστραλία, η Αίγυπτος, η Ινδία, η Ρωσία και η Γαλλία, μεταξύ πολλών άλλων. Η ακρίβεια αυτών των ρολογιών βελτιώνεται συνεχώς. από το 2009, τέτοια ρολόγια δεν θα πρέπει να κερδίζουν ή να χάνουν δευτερόλεπτο σε μια περίοδο 60 εκατομμυρίων ετών.