Mechanizm zegara atomowego został wymyślony przez dr Isidora Isaaca Rabiego w 1945 roku. Cztery lata później w Stanach Zjednoczonych w 1949 roku skonstruowano pierwszy na świecie zegar atomowy wykorzystujący cząsteczki amoniaku, jednakże jego precyzja była niższa od ówczesnego zegara kwarcowego, więc służył jedynie do zademonstrowania zasady atomowego pomiaru czasu za pomocą rzeczywistego urządzenia operacyjnego.
W 1955 roku w Narodowym Laboratorium Fizycznym (NPL) w Wielkiej Brytanii opracowano i wprowadzono do praktycznego użytku pierwszy wysoce precyzyjny zegar atomowy – zegar atomowy cezu-133. Spośród różnych izotopów atomów cezu cez-133 jest jedynym izotopem, który nie emituje promieni radioaktywnych i występuje w przyrodzie w stabilnym stanie.
„10 do potęgi ujemnej X” jest często używane jako jednostka określająca precyzję zegara atomowego. Zegar atomowy opracowany w 1955 roku miał dokładność 10-10. Odpowiada to błędowi wynoszącemu 1 sekundę na 300 lat. W 1967 roku zegar atomowy cezu-133 stał się standardem definiowania drugiej w Międzynarodowym Układzie Jednostek Jednostek. Do tego czasu długość sekundy była definiowana z perspektywy astronomicznej, w oparciu o obrót i obrót Ziemi, ale ponieważ wiadomo, że ruchy Ziemi różnią się, długość sekundy została ponownie zdefiniowana jako czas trwania 9 192 631 770 okresów promieniowania atomu cezu-133.
Do lat 90. XX wieku zegar atomowy z wiązką cezu był najdokładniejszym standardem czasu i częstotliwości atomowej. Zasada leżąca u podstaw zegara cezowego polega na tym, że wszystkie atomy cezu-133 są identyczne i absorbując lub uwalniając energię, wytwarzają promieniowanie o dokładnie tej samej częstotliwości, co czyni atomy doskonałymi zegarkami. Od tego czasu laboratoria na całym świecie stale poprawiają dokładność zegarów atomowych z fontanną cezową. Zegary te wzięły swoją nazwę od fontannowego ruchu składowego gazu cezu.
Proces pomiaru czasu rozpoczyna się od wprowadzenia gazowego cezu do komory próżniowej i skierowania sześciu laserów podczerwonych (umieszczonych pod kątem prostym względem siebie) w celu zagęszczenia i ochłodzenia (spowolnienia) atomów cezu do temperatury bliskiej zera absolutnego. Następnie za pomocą dwóch pionowych laserów przesuwa się atomy w górę na około metr (tworząc „fontannę”) przez wnękę wypełnioną mikrofalami. Częstotliwość mikrofal jest dostrojona tak, aby zmaksymalizować obserwowaną fluorescencję, która występuje przy naturalnej częstotliwości rezonansowej (9 192 631 770 Hz) atomu cezu. Ponieważ podróż w obie strony przez wnękę mikrofalową trwa około sekundy, kontrola częstotliwości mikrofal zaowocowała większą dokładnością pomiaru czasu. Obecnie przewiduje się, że najlepsze zegary atomowe z fontanną cezową przestawią się o mniej niż jedną sekundę w ciągu ponad 50 milionów lat.
