يتم تسخين ذرات السيزيوم لتتحول لبخار يمر عبر حزمة من الموجات الدقيقة.
تمتص ذرات السيزيوم طاقة الموجات عند تردد رنين محدد مما يغير من حالتها.
تمر الذرات عبر مجال مغناطيسي يفصل الذرات حسب حالتها إلى حزمتين.
يتم رصد أحد الحزم الذرية بواسطة كاشف يحول إشارتها لنبضات كهربائية.
تتحكم دارة التغذية الراجعة في تردد الموجات الدقيقة لإبقائه متزامناً مع تردد رنين الذرات.
يستخدم هذا التردد فائق الاستقرار كمرجع لتوليد إشارة الثواني عالية الدقة