Eine Atomuhr ist der genaueste Zeitmesser der Welt, der die Zeit anhand der Schwingungen der Atome misst. Die NIST-F1, die Standard-Atomuhr der Vereinigten Staaten, soll so genau sein, dass sie in über 30 Millionen Jahren weder eine Sekunde zu- noch abnehmen würde. Atomuhren werden für die Koordinierung von Systemen verwendet, die extreme Präzision erfordern, wie z. B. das Global Positioning System (GPS) für die Navigation und das Internet. Eine Gruppe von Atomuhren, die sich an verschiedenen Orten auf der ganzen Welt befinden, wird verwendet, um die koordinierte Weltzeit (UTC) festzulegen.
Wie eine normale Uhr hält eine Atomuhr die Zeit auf der Grundlage von Schwingungen, d. h. einer periodischen Veränderung oder Bewegung zwischen zwei Einheiten oder zwischen zwei Zuständen einer einzelnen Einheit, die durch Energieänderungen hervorgerufen wird. Bei einer Pendeluhr beispielsweise besteht die Schwingung aus der Hin- und Herbewegung des Pendels (des Oszillators). Eine solche Uhr hält die Zeit entsprechend der Schwingungsfrequenz des Pendels, die je nach einer Reihe von Variablen mehr oder weniger genau ist. Die Genauigkeit einer Atomuhr hingegen hängt davon ab, dass ein Atom, das in Schwingung versetzt wird, immer mit der gleichen Frequenz schwingt.
1945 schlug Isidor Rabi, Physikprofessor an der Columbia University, vor, dass atomare Schwingungen zur Zeitmessung genutzt werden könnten, und stützte sich dabei auf eine von ihm entwickelte Methode, die so genannte atomare Strahlenmagnetresonanz. Vier Jahre später hatte das National Bureau of Standards (heute das National Institute of Standards and Technology) eine Atomuhr entwickelt, die die Schwingungen von Ammoniakmolekülen nutzte. Die NIST-F1, der derzeitige Standard der Vereinigten Staaten, verwendet Cäsiumatome; sie und ein ähnlicher Atomuhrstandard in Paris sind die genauesten Zeitmesser, die je hergestellt wurden.
Die ersten kommerziellen Atomuhren auf Cäsiumbasis wurden von der National Company, einem Unternehmen aus Massachusetts, hergestellt; Frequency Electronics, FTS und Hewlett-Packard ( HP ) gehören zu den Unternehmen, die sie heute herstellen. Atomuhren wurden nie in großem Umfang in Konsumgütern verwendet, da sie in der Regel groß sind und zu viel Strom verbrauchen. Vor kurzem hat das NIST jedoch ein Atomuhrwerk entwickelt, das diese Probleme überwindet. Der neue Mechanismus, der etwa so groß wie ein Reiskorn ist und auf eine Sekunde in 126 Jahren genau geht, könnte bald auf Computerchips hergestellt und in tragbaren Geräten des Verbrauchermarktes wie Radios, GPS-Systemen und Mobiltelefonen verwendet werden.