每一个原子都拥有独特的振动频率，这是它们的基本特性。最直观的例子是将食盐投入火焰中，其中的钠原子会发出桔红色的光芒。不同类型的原子具有多种振动频率，包括无线电波、可见光和介于两者之间的频率。秒的最新定义是基于铯-133原子基态的超精细能级之间的跃迁所对应的辐射周期数，这一定义使得铯133成为了高精度原子钟的首选。
铯原子钟的设计原理是将铯原子置于特定的环境中进行精确测量。通常，通过锁定晶体振荡器到铯原子的主要微波谐振来实现这一目标，这种信号位于微波频谱范围内，与广播卫星的发射频率相近，因此工程师们对制造这种频谱的仪器非常熟悉。
制造铯原子钟的过程包括将铯原子加热至汽化状态，并通过一个真空管进行处理。首先，铯原子气通过一个磁场，以选择合适的能量状态。随后，这些原子通过一个强烈的微波场。微波能量的频率在一个狭窄的范围内波动，确保在每个循环中有特定频率点达到9,192,631,770Hz。精确的晶体振荡器产生的微波频率非常接近这个精确频率。
当一个铯原子接收到正确频率的微波能量时，其能量状态会发生相应改变。在真空管的另一端，另一个磁场将那些由于微波场在正确频率上而改变能量状态的铯原子分离出来。探测器会记录打击在其上的铯原子的数量，并在正确频率的微波场处显示出峰值。这个峰值用于对产生的晶体振荡器进行微调，确保微波场精确地处于正确的频率。最后，将锁定的频率除以9,192,631,770，得到每秒一个脉冲的常见时间单位。
通过这一复杂而精确的过程，铯原子钟能够提供极其稳定和准确的时间测量，成为现代科技中不可或缺的一部分。
