Частота, на которой кристалл кварца будет резонировать, определяется его размерами и формой, а также упругими и механическими свойствами кварца, поэтому кристалл вырезается, шлифуется и полируется таким образом, чтобы резонанс происходил на нужной частоте. Конструкция электродов и подвески кристалла рассчитывается так, чтобы они в возможно меньшей степени приводили к изменению выбранной моды колебания. Возникновение нежелательных мод подавляется уменьшением коэффициента усилителя на соответствующих частотах.
Таким образом, в кварцевых часах роль маятника играют упругие колебания кристалла кварца, а механическое спусковое устройство и передаточный механизм, поддерживающий колебания маятника и считающий их, заменены электронным усилителем и делителем частоты, производящим электрические метки времени и управляющим табло времени. Все кварцевые часы, приобретенные гринвичской службой времени в период 1939-1964 гг., имели резонаторы, настроенные на частоты около 100 кГц, и были сконструированы или в Национальной физической лаборатории или в научно-исследовательских лабораториях почтового управления. Современные точные кварцевые генераторы работают на более высокой частоте - около 5 или 10 МГц.
Зависимость частоты колебаний от температуры можно сделать очень малой, подбирая соответствующий угол между срезами кварцевого резонатора и естественными гранями кристалла, а также уменьшая размеры кристалла, что позволяет достаточно просто поддерживать его температуру постоянной и предохранять его от изменения атмосферного давления. Полностью смонтированный кварцевый генератор вместе с термостатом занимает объем менее 1 л и весит менее 1 кг, так что работа с ним не представляет особого труда. Гораздо сложнее было в свое время изолировать маятниковые часы от воздействия внешних условий.
Но и современные кварцевые часы постепенно изменяют ход в пределах нескольких микросекунд в сутки. Этот эффект, называемый старением, часто вызывается остаточным поверхностным загрязнением, дефектами в молекулярной структуре кристалла, изменением давления поддерживающих кристалл опор и воздействием излучения радиоактивных материалов или космических лучей. Более того, кристалл не обеспечивает независимый эталон частоты или временного промежутка, так как частота, первоначально заданная размерами кварца, с легкостью может измениться вследствие изменения его размеров, которые слишком малы, чтобы их можно было измерить. Из-за отсутствия других средств измерения частоты вплоть до середины 50-х гг. определенным образом увязывались с астрономическими определениями времени. Когда было установлено, что вращение Земли не обладает постоянством, возникла необходимость в астрономических наблюдениях, связанных с движением Луны и планет относительно звезд. Точность таких определений была низка (около 0,1 с), так как подобные наблюдения занимали несколько лет и только после этого анализировались совместно. К счастью, теперь имеются более точные и доступные эталоны промежутков времени, основанные на идентичных резонаторах, которые можно получить в большом количестве, причем эти резонаторы не зависят от заводских допусков - это неразличимые атомы одного и того же сорта (т.е. одного какого-либо элемента).
В середине прошлого века стало известно, что газы в разогретом состоянии или под действием электрического разряда излучают свет, состоящий из спектральных линий, длины волн которых характерны для химических элементов, присутствующих в газе. Возможно, самый известный пример такого рода - желтое свечение лампы, наполненной парами натрия. Современная астрономия в значительной мере основана на изучении спектров небесных объектов. Эти же факты лежат в основе квантовой теории строения атома. Отдельный атом может испускать или поглощать электромагнитное излучение (т.е. свет, радиоволны) только при переходе между двумя более или менее четко определенными энергетическими состояниями, причем частота излучения атома прямо пропорциональна разности энергий этих двух состояний. Частоты видимого света слишком высоки, чтобы их можно было непосредственно измерить (при современном развитии науки и техники), но их точные значения можно очень точно рассчитать, зная измеренные длины волн и скорость света.
Почти во всех атомных часах, применяемых в службах времени для установления соотношения временных шкал, используется частота, связанная с особым сверхтонким переходом атома цезия - 133; определение секунды в международной системе единиц СИ основано на этом же переходе. Цезий - это мягкий, светлый, активный металл, в химическом отношении похожий на натрий. Обозначение «сверхтонкий переход» произошло от сверхтонкой структуры, наблюдаемой в линиях видимого спектра элемента и обусловленной тем, что основные энергетические уровни атома расщеплены на несколько подуровней, имеющих почти одинаковые энергии. В часах как раз и используется переход между двумя такими подуровнями.
При таком специфическом переходе спин самого удаленного от ядра электрона атома цезия, заставляющий атом цезия вести себя как слабый магнит, поворачивается относительно спина атомного ядра, но ориентация обоих спинов определяется воздействием слабого внешнего магнитного поля. Такие часы управляют работой кварцевого генератора путем создания определенной связи между его частотой и микроволновым излучением, которое испускает атом при указанном переходе.
Впервые идею создания атомного эталона частоты предложил в 1945 г. Раби из Колумбийского университета, а первое атомно-лучевое устройство для систематической калибровки частоты было применено в 1955 г. Эссеном и Парри из Национальной физической лаборатории.
Металлический цезий помещают в специальную печь, где происходит его испарение; пары цезия попадают в трубку, в которой поддерживается вакуум, и проходят через серию диафрагм, формирующих пучок атомов; в этом пучке содержится одинаковое количество атомов, находящихся в двух различных энергетических состояниях. Сильно локализованное неоднородное магнитное поле по-разному отклоняет атомы в разных энергетических состояниях, формируя таким образом два расходящихся пучка. Далее пучки проходят через резонансную полость, или резонатор, в которой концентрируется микроволновая энергия, поступающая от усилителя. На выходе кварцевого генератора синтезируется частота порядка 9129 МГц. Резонатор помещен в слабое неоднородное магнитное поле, ось которого перпендикулярна направлению атомного пучка. После прохождения через резонатор атомы попадают во вторую область с неоднородным полем и снова отклоняются в соответствии с их магнитными состояниями; на электрод попадают только те атомы, энергетические состояния которых изменялись во время пролета через резонатор; на электроде атомы ионизируются, что позволяет их обнаружить электрическим детектором. Частота кварцевого генератора регулируется выходным сигналом детектора. Метки времени здесь, как и в кварцевых часах, вырабатываются делителями частоты и счетчиками, связанными с кварцевым генератором.
За период с 1955 г. в различных странах были созданы лаборатории эталонов времени, в которых широко используются цезиево-лучевые часы, позволяющие воспроизводить интервал времени в системе единиц СИ с максимально возможной точностью. Инструменты, имеющиеся в продаже, воспроизводят интервалы в системе СИ, подверженные неопределенным, но небольшим уклонениям порядка 1 мкс в сутки. Обычно уклонение остается почти неизменным в том случае, когда определенный прибор работает под контролем и может быть откалиброван по уже оцененному эталону. Такие приборы применяются в большинстве служб времени, включая и Гринвичскую обсерваторию, для воспроизведения шкал времени и обеспечивают их согласование между собой в пределах нескольких микросекунд в год. Международная шкала атомного времени TAI основана на данных, получаемых от инструментов разных типов.
За последние годы были сконструированы эталоны частоты, основанные на квантовых п%эеходах в атомах других химических элементов, из которых чаще всего используются рубидий и водород. В этих приборах для связи частоты, получаемой на выходе, с частотой атомного резонанса применяется разнообразная усовершенствованная техника; каждая новая система имеет свои достоинства. Так, атомные часы на парах рубидия дешевле цезиевых часов; водородный мазер способен обеспечить более высокую кратковременную стабильность, чем цезиевые часы, однако последние до сих пор не превзойдены в отношении воспроизводимости частоты и долговременной стабильности, и, по-видимому, именно цезиевые часы будут и дальше использоваться в качестве основы для эталонных шкал времени, по крайней мере в ближайшие годы.