随着对时间间隔计量准确度的要求不断提高，人们把研究对象从宏观转到微观，原子内部运动的电子态间量子跃迁会吸收或辐射一定能量的电磁波，其频率只取决于原子本身的状态，是严格确定的，为时间频率计量提供了更准确的标准——原子频标或原子钟。

1934年后对氨分子微波波谱的研究导致了世界上第一台原子钟的出现，1955年出现了基于铯原子基态超精细能级跃迁的原子钟，使时间（频率）准确度和稳定度产生了一次飞跃。铯原子钟（见图）的成功研制，也导致了时间单位秒定义的变革。

原子钟应用原子（或分子、离子）内部能级间的量子跃迁频率作为参考，通过将晶体振荡器或激光器频率锁定至原子跃迁频率，输出标准频率和时间信号，是世界上已知最准确的时间和频率测量标准。根据原子钟跃迁频率的工作频段，原子钟分为微波原子钟和光频原子钟。根据微波钟的工作模式，又分为喷泉钟、微波激射器、相干布居数囚禁（CPT）原子钟等；根据光频原子钟的工作模式，分为被动型光钟和主动型光钟，而被动型光钟又可根据微观粒子状态分为光晶格光钟和离子光钟等。

原子钟的基本性能指标是频率准确度和频率稳定度。频率准确度表征输出信号频率与其标称频率的吻合程度，频率稳定度表示在取样测量时间内输出信号平均频率随时间的变化。截至2019年，世界上最好的原子钟（光钟）稳定度和准确度均可达到10^-18，相当于160亿年不相差1秒。

原子钟的出现，使时间计量标准从传统天文学的宏观领域过渡到一个崭新的物理学的微观领域。人类的时间测量和守时工作进入了一个崭新的历史阶段。

由于时间频率是所有一切物理量中可以最精密准确测量的量，因此在计量学上出现了将其他物理量通过一定的物理关系转化为频率后进行测量的趋势，如长度、电压等。原子钟的研制对于国家发展具有重要的战略意义，作为全球卫星导航系统的核心，其准确度和稳定度直接影响导航系统的定位精度。随着原子钟和测控技术的发展，卫星轨道的精确控制、深太空导航以及航天器的对接等也得以实现。

铯原子钟