Atomfrequenznormale nutzen quantenmechanische Effekte von Atomen wie Cäsium, Rubidium oder Wasserstoff. Dazu werden Energieübergänge zwischen zwei Zuständen eines Atoms genutzt. Diese Energieübergänge entstehen durch Anregung (z..B. Pumpen) der Atome, indem Energie zugeführt wird (Absorption), die dann wieder durch Aussendung (Emission) von Photonen abgegeben wird. D.h. diese Energiewechsel führen zur Abstrahlung von Licht (elektromagnetischen Wellen) hoher Frequenzgenauigkeit.

Bei einem Cäsiumstandard wird in einem Rohr ein Strahl von Cs 133-Atomen erzeugt, die durch einen Mikrowellenresonator gelenkt werden. Die Anregungsfrequenz entspricht der Resonanzfrequenz (9,192631770 GHz) der Atome – sie wird mit einem Quarzoszillator erzeugt. Bei Resonanz ergibt sich am Ausgang des Resonators ein Maximum dieser Atome. Durch enstpr. Auswertung des Maximums kann damit auch der Quarzoszillator sehr genau nachgeregelt werden.

Die letztendlich als Taktsignal verwendete Frequenz, ist jedoch die des atomaren Energieübergangs, d.h. einer Naturkostante.

Als Anwendungsbereiche sind neben Hochpräzisionsuhren auch der Bau preiswerterer, kleinerer, leichterer und energiesparenderer Uhren, z.B. für den Einsatz in Satelliten oder Drohnen praktikabel. Satellitennavigationssysteme wie GPS, GLONASS oder (zukünftig) Galileo benutzen Atomfrequenznormale in ihren Satelliten, um mit ihrer hochgenauen Taktfrequenz Uhren zu regeln und damit die Positionierungsgenauigkeit von GPS-Empfängern zu erhöhen. Gleichzeitig kann auch die hohe Frequenzgenauigkeit des gesendeten Signals in Empfängern genutzt werden, um Frequenzen z.B. für die Synchronisierung von Telekommunikationsnetzwerken zu erzeugen.

Die erste Atomfrequenznormal wurde von dem Amerikaner Isidor Isaac Rabi (1898-1988) an der Columbia University entwickelt, der dafür 1944 den Nobelpreis erhielt. Heute gibt es viele verschiedene Atomfrequenznormale, die meist zu Forschungszwecken betrieben werden.

• Netzwerk Synchronisation
• DCF77 Funkuhr
• GPS Empfänger