Как работают атомные часы: Как это устроено: атомные часы / Хабр |

Содержание

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором она находилась в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.

Итак, пока наши знания дают возможность определять время в зависимости от механических изменений, происходящих в мире. Например, один полный оборот Земли вокруг своей оси определяет день, а вокруг Солнца — год. Но у людей появилась необходимость разбить сутки на более маленькие и четко определяемые отрезки — часы, минуты, секунды.

Для отсчета этих единиц люди придумали особые устройства — часы. Их история длится века, а вместе с технологиями растут и требования к точности измерения времени. Если в быту мы отлично обходимся механическими и электронными часами, то наука требует куда более точных приборов.

Основой для подсчета времени служит некое повторяемое событие, когда объект возвращается в начальное состояние через строго определенный промежуток времени. Например, в механических часах крутятся шестеренки (или качается маятник), а в песочных часах наступает момент, когда все песчинки падают на дно сосуда.

Конечно, современные электронные и механические часы намного точнее их предшественников — водных, песочных и солнечных. Но а некоторых областях требовались еще более точные механизмы. И люди создали часы, работающие на основе процессов, происходящих внутри атома.

Как известно, атом состоит из ядра и электронного облака. Электроны располагаются на разных энергетических уровнях. Чем дальше электрон от ядра, тем большей энергией он обладает. Представьте собаку, привязанную к стальной балке прочным, но растяжимым поводком. Чем дальше она хочет отойти, тем сильнее ей надо натянуть поводок. Конечно, сильная крупная собака сможет отойти дальше, чем маленькая и слабая.

При переходе на уровень ниже электрон испускает энергию, а при переходе на более высокий уровень — поглощает. «Прыжками» электронов можно управлять при помощи электромагнитного излучения, являющегося источником энергии. Излучение имеет определенную частоту. Эта величина обратна периоду колебания, то есть времени, необходимому для возвращения совершающего «замкнутые» движения объекта в первоначальное состояние.

Для атомных часов используют кальций, водород, тулий, стронций, рубидий, торий, йод и метан, а чаще всего — цезий. Электроны в атомных часах на основе цезия-133 при переходе с одного энергетического уровня на другой испускают электромагнитное излучение с частотой 9 192 631 770 Гц. Именно на такое число промежутков делится секунда в этих природных часах. Согласно определению, официально принятому еще в 1967 году на Генеральной конференции по мерам и весам, атом цезия-133 признан стандартом для измерений времени. От точности секунды зависит подлинность других основных единиц физических величин, таких как, например, вольт или ватт, которые определяются через время.

Работают сверхточные часы так: цезий-133 нагревают, и некоторые атомы покидают основное вещество, а затем проходят через магнитное поле, которое отсеивает атомы с нужными энергетическими состояниями. Отобранные атомы проходят через магнитное поле с частотой, близкой к частоте электромагнитного излучения при переходе электрона с одного уровня на другой в цезии-133. Под воздействием поля атомы меняют энергетические состояния и попадают на детектор, который фиксирует момент, когда нужным энергетическим состоянием будет обладать наибольшее количество атомов. Тогда значение частоты электромагнитного поля подается в делитель частоты, определяющий свою единицу посредством деления секунды. Получается «новая секунда», принимаемая за эталон минимальной единицы времени.

Сейчас самыми точными являются часы на основе атомов тория-229, созданные британскими учеными. Исследователи утверждают, что отставать эти часы будут на десятую долю секунды за 14 миллиардов лет!

Существуют и наручные атомные часы, представленные на площадке Kickstarter компанией Bathys Hawaii. В них используется маломощный лазер, нагревающий газообразный цезий-133, атомы которого переходят с одного энергетического уровня на другой. При этих переходах чип фиксирует периоды электромагнитного излучения. Правда, в качестве источника питания используется обычный литий-ионный аккумулятор.

Конечно, необходимость атомных часов в быту можно подвергнуть сомнению. Но они способны значительно повысить синхронизацию времени в системах спутниковой и наземной телекоммуникации, а также помочь в научных исследованиях.

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

https://ria.ru/20171027/1507615279.html

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы — РИА Новости, 27.10.2017

Электрон в качестве маятника: как работают атомные часы

Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется… РИА Новости, 27.10.2017

2017-10-27T08:00

2017-10-27T15:15

/html/head/meta[@name=’og:title’]/@content

/html/head/meta[@name=’og:description’]/@content

https://cdnn21. img.ria.ru/images/sharing/article/1507615279.jpg?10600167971509106510

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

2017

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

Новости

ru-RU

https://ria.ru/docs/about/copyright.html

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4.7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

РИА Новости

4. 7

[email protected]

7 495 645-6601

ФГУП МИА «Россия сегодня»

https://xn--c1acbl2abdlkab1og.xn--p1ai/awards/

МОСКВА, 27 окт — РИА Новости, Ольга Коленцова. Что такое время? Режиссеры фантастических фильмов считают, что это некое измерение, по которому можно передвигаться. В реальном мире время определяется положением предметов в пространстве. Теоретически, если мы сможем вернуть каждую частицу во Вселенной в состояние и положение, в котором она находилась в определенный момент, то совершим путешествие в прошлое.

25 октября 2017, 08:00

История-прошлое или история-идеология — как ими пользоваться

26 июня 2017, 18:02

Сверхъяркий лазер заставил электрон «нарушить» законы физики

Что такое атомные часы?

Атомные часы. Они звучат почти как что-то из научной фантастики или как эксперимент, ограниченный какой-то элитной физической лабораторией, но на самом деле они в той или иной форме существуют с 1950-х годов. Однако эти часы не появятся в вашем доме в ближайшее время: они могут быть размером со шкаф и состоять из переплетенной массы нержавеющей стали, лазеров, проводов и кабелей, прикрепленных к вакуумной камере, в которой находятся микроскопические звезды шоу.

Во время Второй мировой войны ученые впервые раскрыли секреты атома, положив начало изучению квантовой физики и возможности использования мельчайших строительных блоков материи для практических приложений, включая атомные часы.

⚛️ Вы любите узнавать о самых крутых научных достижениях. И мы тоже. Приходите учиться с нами.

В крошечном масштабе атомные часы используют те же основные процессы, что и напольные часы или наручные часы : они предлагают периодическое явление, которое вы можете сосчитать. Подобно тому, как маятник часов качается взад и вперед, а кусок кварца в форме камертона колеблется под действием электрического тока в часах, вы считаете периодические колебания электронов в атомных часах, когда они перескакивают между энергетическими уровнями. (Подробнее об этом позже.)

Сегодня исключительно точный хронометраж атомных часов используется для измерения времени и расстояния для всего, начиная с нашей Глобальной системы позиционирования (GPS), онлайн-коммуникаций по всему миру, долей секунды в трейдинге. акции и гонки на время на Олимпийских играх. Но ученые разработали еще более совершенные атомные часы, которые могут рассказать о таинственных частях Вселенной, таких как темная материя, больше, чем мы когда-либо видели.

Вот как работают атомные часы и почему мы не можем представить мир (или будущие открытия о нашей Вселенной) без них.

Краткая субатомная история

После появления атомной физики ученые разработали способ пропускания атомов цезия через радиоволны, а затем микроволны, форму высокочастотного электромагнитного излучения. В этой ранней форме атомных часов толчок энергии от излучения заставлял электроны в атомах прыгать туда и обратно между энергетическими уровнями или орбитами вокруг ядра атома. Поскольку атомы отдельного элемента реагируют только на определенную и уникальную частоту (количество волн, проходящих через точку пространства за заданный промежуток времени), ученые могли измерить эту частоту, чтобы получить стандартное и точное измерение времени.

«Тот факт, что разница энергий между этими орбитами является таким точным и стабильным значением, действительно является ключевым компонентом для атомных часов», — говорит Эрик Берт, физик по атомным часам в Лаборатории реактивного движения НАСА, , в блоге 2019 года. на сайте НАСА. «Вот почему атомные часы могут достигать уровня производительности выше, чем у механических часов».

Еще больше удивительных историй о физике ⬇️

Вселенная сама меняет законы физики
Посмотрите на это изображение отдельного атома
Субатомная частица может превратиться в своего злого близнеца

Цезий был одним из первых претендентов на создание лучшего хронометра, потому что атомы этого элемента имеют гораздо более высокую резонансную частоту, чем кварц, используемый в наручных часах. Внешняя оболочка цезия имеет один электрон, что делает его химически реагирующим на микроволновое излучение. Поскольку вы можете подсчитать, сколько раз электроны прыгают между двумя энергетическими уровнями в атоме цезия за заданный промежуток времени, эта частота стала официальным инструментом измерения длительности секунды. (Забавный факт: эти сдвиги энергии проявляются в виде электромагнитного излучения в виде видимого света, такого как оранжевое свечение натриевых ламп, используемых для уличного освещения. Атомы в атомных часах тоже светятся.)

Атомные часы с цезием в Национальном институте стандартов и технологий (NIST) в Гейтерсберге, штат Мэриленд, настолько точны, что теряют одну секунду за 100 миллионов лет.

Сегодняшним самым точным атомным часам потребуется около 30 миллиардов лет, чтобы потерять хотя бы одну секунду. Для сравнения, механические часы могут отставать на несколько секунд каждый месяц, говорят ученые. Какой смысл в часах с такой предельной точностью? Во-первых, это приводит к потрясающим экспериментам, которые еще более точно доказывают принципы относительности, например, держат два атомных часа на разных высотах и видят, что они «тикают» с разной скоростью, потому что испытывают разные уровни гравитации. Вторая причина заключается в том, что это откроет новые возможности для исследований, о которых ученые только мечтали, например, исследование темной материи путем изучения крошечных сдвигов в гравитационных волнах.

Современные атомные часы — это новый уровень

Физик Jun Ye из NIST, где ученые разработали первые атомные часы, работает над относительно новым типом конструкции — оптическими атомными часами — в сотрудничестве с Объединенным институтом для лаборатории астрофизики ( JILA ) в Боулдере, штат Колорадо. Вместо использования микроволн его лабораторная установка испускает лазеры в облаке из сотен тысяч переохлажденных атомов стронция. Лазеры приводят в движение эти квантовые колебания, а также отслеживают скачки электронов внутри атома. Лазеры настроены так, чтобы точно соответствовать частоте света, излучаемого электроном каждый раз, когда он меняет энергетический уровень.

Экспериментальные атомные часы JILA на основе атомов стронция, удерживаемых в решетке лазерного излучения. Изображение состоит из множества фотографий, сделанных с длительной выдержкой и другими методами, позволяющими сделать лазеры более заметными.

JILA

Прежде чем они смогли начать отслеживать время, ученые должны были сконструировать свои часы. Команда Йе из NIST изолировала и поместила атомы стронция в вакуумную камеру с помощью лазера. «Это почти как оптический пинцет, сделанный из лазерного луча», — говорит Йе 9.0054 Популярная механика . Вакуум сам по себе не холодный, но атомы охлаждаются (опять же лазером) до долей микрокельвина. Кельвин — это единица измерения температуры, которая называет ноль абсолютной самой холодной точкой.

«Здесь невероятно холодно, холоднее, чем где-либо во Вселенной», — говорит Йе. Атомы должны быть такими холодными, чтобы побуждать их вести себя не как частицы, а как волны. «Квантово-механическая волновая функция отдельных атомов перекрывается друг с другом и начинает вести себя как коллективный объект», — объясняет он. Так их легче держать вместе. В этот момент в работу вступают пары лазеров, захватывая облако атомов в решетчатую структуру.

Команда начала с единственной пары лазеров, направленных в вакуумную камеру. «Скажем, у вас есть лазер, идущий слева направо. Оно отражается зеркалом. Итак, теперь у вас есть свет, идущий с обоих направлений, правильно, потому что зеркало будет отражать свет. Когда две волны сходятся, возникает интерференция, которая образует так называемую стоячую волну. По сути, просто представьте, что волна колеблется взад и вперед в фиксированном месте», — говорит Йе. Как и у воды, у световой волны есть впадины и пики. Самая высокая интенсивность света приходится на пик, и свет притягивает атомы; у корыта нет света, а значит, нет и атомов. Пара стоячих световых волн образует то, что Е называет «стопкой блинов», в которой каждый блин содержит десятки атомов. «Это простейшая из возможных одномерная решетка», — говорит Йе.

🥶 Ледяной холод

Мы близки к достижению абсолютного нуля

Затем команда выстрелила еще одной парой лазерных лучей в вакуумную камеру под прямым углом к исходному лазерному лучу. «Теперь блины нарезаются. Представьте, что у вас есть стопка блинов в этом направлении и стопка блинов в другом направлении, когда они нарезаются друг на друга, они становятся похожими на отдельные сигары», — объясняет Е. Наконец, команда добавила еще один набор лазеров в третьем пространственном измерении. Когда три пары света интерферируют, вместо сигар образуются отдельные точки. «В этой трехмерной оптической решетке атомы могут быть загружены один за другим в отдельные точки», — объясняет Йе. Часы готовы.

Когда область исследований оптических атомных часов была новой, в каждом эксперименте участвовал только один атом. Однако несколько атомов дают часы во много раз более точные из-за странных свойств квантовой механики. Совместное колебание множества атомов похоже на множество подбрасываний монеты: чем больше раз вы подбрасываете монету, тем ближе вы подходите к усреднению правильной общей вероятности.

Можно предположить, что каждый атом действует как маятник стандартных часов, говорит Йе. «Вы хотите, чтобы ваш маятник качался миллиарды раз в секунду». Чтобы еще больше убедиться в его точности, его лаборатория построила несколько стронциевых часов, а также сравнила их часы на оптической решетке с другими часами в лаборатории в миле от них.

«Одна из первых по-настоящему квантовых технологий»

Массив изображений атомов стронция, светящихся в вакуумной камере, из испытаний атомных часов Колковица. Слева — единственный шар из 100 000 атомов. Справа представлены изображения атомов, образующих решетку, образующую несколько часов.

Kolkowitz Group, University of Wisconsin-Madison

Люди в восторге от разработки квантового компьютера, «однако атомные часы — одна из первых по-настоящему квантовых технологий», — говорит физик из Университета Висконсин-Мэдисон Шимон Колковиц Популярная механика . По его словам, хотя лазер также является квантовой технологией, атомные часы — это первый пример технологического скачка, который был бы невозможен без глубокого понимания квантовой механики. Квантовая механика — это изучение природы в мельчайших масштабах: атомов и субатомных частиц.

Исследовательская группа Колковица недавно измерила различия между атомными часами на оптической решетке, в которых атомы стронция были разделены на несколько часов, расположенных в линию в вакуумной камере. С одними атомными часами лазер мог возбудить электроны в том же количестве атомов за одну десятую секунды. Однако, когда лазер ударил по двум часам одновременно внутри вакуумной камеры, количество атомов с возбужденными электронами оставалось одинаковым между двумя часами до 26 секунд.

Связанная история

Время действительно может течь вспять, говорят физики

Чтобы учесть любые различия, вызванные изменениями в гравитации или магнитных полях, команда провела более 1000 экспериментов. В конце концов, исследователи обнаружили, что часы будут идеально совпадать со своим временем, прежде чем отставать на одну секунду каждые 300 миллиардов лет. Это исследование, опубликованное 16 февраля в Nature , установило мировой рекорд для двух пространственно разделенных часов. Никакие другие атомные часы не достигли такого уровня точности, хотя лучшие атомные часы в мире отсчитывают 30 миллиардов лет.

Стронций лучше подходит для оптических часов, чем цезий, у которого отсутствуют действительно узкие оптические переходы, говорит Колковиц. «У цезия только один валентный электрон, а у стронция — два. Это делает структуру уровней стронция более сложной и богатой и приводит к чрезвычайно узким оптическим переходам, которых просто нет в цезии».

Оптическая установка для стронциевой магнитооптической ловушки, часть стронциевых оптических атомных часов группы Коковица.

Лаборатория Коковица, Университет Висконсин-Мэдисон

Точность атомных часов улучшается с «ошеломляющей» скоростью, говорит Йе. Первые атомные часы отставали или отставали только на одну секунду за триста лет, что является значительным улучшением по сравнению со стандартными часами. Современные GPS-хронометры в миллион раз точнее этих первых часов. Лучшие на сегодняшний день оптические атомные часы могут показывать устойчивое и точное время намного дольше, чем возраст Вселенной, 13,8 миллиарда лет.

Как мы используем атомные часы

Атомные часы теперь даже используются для более точного определения всех видов единиц измерения — не только времени, но и массы, длины, электричества и многого другого, говорит Колковиц. Например, мы можем измерить метр, используя только скорость света, которая с научной точки зрения принята как константа 299 792 458 метров в секунду, и часы. Теперь вы можете точно измерить длину метра, потому что ваши атомные часы могут регистрировать количество времени, которое потребовалось свету, чтобы пройти один метр, отмечает Колковиц.

«Мы становимся все более и более чувствительными к новой физике, даже к вещам, о которых не знаем», — говорит Колковиц. «Улучшение часов важно просто потому, что они определяют, насколько хорошо мы можем измерять остальную часть Вселенной и действительно количественно оценивать вещи».

История науки, которой мы одержимы

Чем напоминает нам бритва Оккама Ключ к простоте

Многочисленные эксперименты с двумя синхронизированными атомными часами доказали, что время может изменяться в зависимости от гравитационных сил. В 2010 году два атомных часа работали бок о бок. Тогда одному было поднял на 33 сантиметра, и он стал бегать быстрее. Доля уменьшения гравитации в верхних часах заставила время замедлиться по сравнению с нижними часами. Подобные испытания уже проводились раньше, когда одни из атомных часов поднимались высоко над Землей в самолете. Однако этот более поздний тест с поразительной точностью доказал, что сила гравитации влияет на ход времени в данной точке.

С точки зрения повседневной деятельности, которую мы считаем само собой разумеющейся, атомные часы являются основным инструментом.

Например, GPS был бы невозможен без точности атомных часов. Сеть из 31 спутника GPS, вращающегося сейчас вокруг нашей планеты, позволяет нам перемещаться в места, удаленные на тысячи миль. Хотя это может показаться нелогичным, спутники, передающие сигналы нашим GPS-приемникам, такие как наши автомобили и сотовые телефоны, на самом деле переживают время иначе, чем мы на Земле. Поскольку они находятся дальше от центра Земли, спутники ощущают меньшее гравитационное притяжение и быстрее отсчитывают время — на 40 миллионных секунды в день. Если бы наши GPS-системы не учитывали этот эффект относительности, мы обычно уводили бы нас на шесть миль в неправильном направлении.

Тем не менее, наша сеть GPS основана на технологиях, разработанных в 1970-х и 1980-х годах. Такие ученые, как Коковиц и Йе, хотели бы, чтобы он был модернизирован, чтобы в полной мере использовать новейшие технологии оптических атомных часов. Некоторые части Европы уже планируют этот возможный переход, но для эффективного перехода потребуются глобальные усилия, говорит Йе.

Как мы будем использовать атомные часы завтра

Скачки в точности хронометража сделали атомные часы настолько чувствительными, что они позволяют нам измерять мельчайшие замедления времени — изменения в земной коре, которые могут указывать на геологические тенденции, давать более ранние предупреждения о специфические изменения климата, обнаружение темной материи и изменений в гравитационных волнах.

Достижения в разработке все более точных оптических атомных часов позволяют ученым увидеть пересечение между микроскопическим миром квантовой физики и макроскопическим миром гравитационной физики. Теперь мы можем измерить фон гравитационных волн Вселенной, используя сверхточные массивы времени пульсаров. Точно так же изображения черной дыры, сделанные в 2019 году, были бы невозможны без точного совмещения нескольких радиотелескопов в разных частях мира. Вместе они действовали как единый телескоп размером с Землю, направленный в центр галактики M87, примерно в 53,5 миллионах световых лет от нас.

Футуристические проекты, такие как космические путешествия , также стали более осуществимыми. Когда вы говорите о навигации на астрономические расстояния, то любая крошечная задержка в расчете времени может обернуться длительным путешествием в неправильном направлении. С атомными часами у вас есть очень высокий уровень уверенности в том, что вы всегда движетесь в правильном направлении.

«Производительность этих часов потрясающая. И еще я скажу, что они продолжают улучшаться… Мы даже не думали обо всем, что мы можем сделать с этими часами, поскольку они продолжают улучшаться», — говорит Колковиц.

Манаси Ваг

До прихода в Popular Mechanics Манаси Ваг работала газетным репортером, научным журналистом, техническим писателем и компьютерным инженером. Она всегда ищет способы совместить три величайшие радости в своей жизни: науку, путешествия и еду.

Как работают атомные часы Galileo

Приложения

17307 просмотра
42 лайков

Для корректной работы спутниковой навигационной системы необходимо, чтобы сигналы, транслируемые спутниками, передавались синхронно. Для этого на спутниках установлены очень стабильные часы.

Спутники Galileo оснащены часами двух типов: рубидиевыми атомными стандартами частоты и пассивными водородными мазерами. Стабильность рубидиевых часов настолько хороша, что они теряют всего три секунды за миллион лет, в то время как пассивный водородный мазер еще более стабилен и теряет только одну секунду за три миллиона лет. Однако такая стабильность действительно необходима, поскольку ошибка всего в несколько наносекунд (миллиардных долей секунды) в измерениях Galileo приведет к ошибке позиционирования метров, которая будет неприемлемой.

Атомные часы работают как обычные часы, но их отсчет времени основан не на колеблющейся массе, как в маятниковых часах, а на свойствах атомов при переходе между различными энергетическими состояниями.

Атом при возбуждении внешним источником энергии переходит в более высокое энергетическое состояние. Затем из этого состояния он переходит в более низкое энергетическое состояние. При этом переходе атом высвобождает энергию с очень точной частотой, характерной для данного типа атома. Это как подпись для типа используемого материала. Все, что нужно для создания хороших часов, — это способ обнаружения этой частоты и использования ее в качестве входных данных для счетчика. Это принцип работы атомных часов.

Переходы между энергетическими состояниями могут происходить путем выделения или поглощения энергии на оптических или микроволновых частотах. Атомная секунда соответствует 9 192 631 700 импульсам частоты энергии, обнаруженной при переходе изотопа цезия 133 при подходящем возбуждении.

Рубидиевые часы

Рубидиевые часы Galileo состоят из атомного резонатора и связанной с ним управляющей электроники. Внутри атомного резонатора находится рубидиевая паровая ячейка. Атомы находятся в газообразном состоянии при высокой температуре. Для возбуждения резонанса атомы ячейки возбуждаются в более высокое состояние светом рубидиевой газоразрядной лампы, расположенной на одном конце атомного резонатора. На другом конце резонатора находится фотодиод, который определяет количество света, прошедшего через ячейку.

После возбуждения атомы распадаются до более низкого состояния. Из этого состояния атомы возвращаются на промежуточный уровень путем подачи в резонатор микроволновой энергии на заданной частоте. Переход на промежуточный уровень происходит только в том случае, если частота точно соответствует той, которая связана с этим переходом. Когда атомы находятся в промежуточном состоянии, поглощение света максимально.

Выход фотодиода подключен к схеме управления, которая регулирует микроволновую частоту. Правильная частота поддерживается путем настройки источника микроволн для получения максимального поглощения света. Резонанс поддерживается за счет энергии рубидиевой лампы, так как атомы в промежуточном состоянии снова возбуждаются в более высокое состояние, а затем распадаются до более низкого состояния, с которого весь процесс начинается снова.

Водородные мазерные часы

Пассивные водородные мазерные часы Galileo также состоят из атомного резонатора и связанной с ним управляющей электроники. В этих часах небольшая бутыль для хранения подает молекулярный водород в газоразрядную лампу. Здесь молекулы водорода диссоциируют на атомарный водород. После диссоциации атомы попадают в резонансную полость, проходя через коллиматор и магнитный селектор состояний. Этот селектор магнитного состояния используется для того, чтобы позволить только атомам желаемого энергетического уровня войти в резонатор. Здесь атомы заключены в кварцевую накопительную колбу. Оказавшись в этой накопительной колбе, атомы водорода имеют тенденцию возвращаться к своему «фундаментальному» энергетическому состоянию, излучая при этом микроволновую частоту.

Эта частота определяется схемой опроса, которая блокирует внешний сигнал для «естественного» перехода атомов водорода. Блокировка происходит, когда инжектируемая частота совпадает с резонансной частотой атомов; это соответствует усилению микроволнового сигнала.

Резонансная частота микроволнового резонатора составляет примерно 1,420 ГГц.