El reloj atómico es un instrumento que utiliza la frecuencia de transición electrónica en la micro-onda, en la región óptica o ultravioleta del espectro electromagnético, como un patrón de frecuencia para medir el tiempo.
Los relojes atómicos son los dispositivos de medición temporal y frecuencia más precisos creados por la humanidad, siendo utilizados como patrones primarios para los servicios internacionales de investigación del tiempo, además de ser usados para controlar la frecuencia de ondas de transmisiones de televisión y en sistemas de navegación por satélite, como el GPS.
El principio de funcionamiento de un reloj atómico no se basa en la física nuclear, sino en la física atómica, usando la señal de micro-ondas que los electrones (presentes en átomos) emiten cuando se mueven entre los niveles de energía. Los primeros relojes atómicos eran basados en máseres (dispositivos que producen ondas electromagnéticas) expuestos a temperatura ambiente. Hoy en día, los más modernos relojes atómicos de átomos primero enfrían los átomos para una temperatura cercana a cero, dejándolos lentos con el uso de láseres y colocándolos en fuentes atómicas en una cavidad llena de micro-ondas. Un ejemplo de ese dispositivo es el americano NIST-F1.
La exactitud del reloj atómico depende de la temperatura de la muestra de átomos fríos, y de la frecuencia y la anchura inherente de la transición electrónica. Altas frecuencias y líneas estrechas aumentan la precisión del dispositivo. Los relojes atómicos son responsables de mantener el Tiempo Atómico Internacional (TAI) que es usado para definir el Tiempo Universal de Coordinación (UTC), también conocido como ‘tiempo civil’ que es el huso horario de referencia a partir del cual se calculan todas las otras zonas horarias del mundo, siendo el sucesor del Tiempo Medio de Greenwich (GMT).
La idea de utilizar las transiciones atómicas para medir el tiempo fue sugerida por primera vez por William Thomson, el Lord Kelvin en 1879, y la resonancia magnética, desarrollada en 1930 por Isidor Rabi, se convirtió en el método más práctico para lograr tal proeza. En 1945, el rabino sugirió que la resonancia magnética del eje nuclear podría ser usada como una base para un reloj. El primer reloj atómico fue un dispositivo máser de amonio construido en 1949, en el National Bureau of Standards, Estados Unidos Unidos. Era mucho menos preciso que los ya conocidos relojes de cuarzo, pero sirvió como un excelente ejemplo del funcionamiento de un nuevo concepto de medición del tiempo. El primer reloj atómico preciso, basado en una cierta transición de cesio-133, fue construido por Louis Essen en 1955 en el Laboratorio Nacional de Física del Reino Unido. Esa creación hizo que quedase internacionalmente acordado que el segundo internacional estaría basado en tiempo atómico.
Desde el comienzo de su desarrollo en la década de 1950, los relojes atómicos se han basado en las transiciones hiperfinas en hidrógeno-1, el cesio-133 y el rubidio-87. El primer reloj atómico comercial fue el Atomichron, fabricado por la empresa American National Radio Company, con más de 50 relojes vendidos entre 1956 y 1960. Más tarde fue sustituido por dispositivos mucho más pequeños, como el modelo de Hewlett-Packard, que llevaba la frecuencia de cesio 5060, lanzado en 1964.
En agosto de 2004, los científicos del NIST (National Institute of Standards and Technology) presentaron un reloj atómico del tamaño de un chip. Según los investigadores, el reloj fue ideado para ser una centésima de tamaño de cualquier otro. Necesitando de menos de 125 mW para funcionar, se mostró adecuado para el uso en dispositivos alimentados a batería. Esa tecnología quedó disponible en el mercado en 2011.
