Un orologio atomico è il tipo di orologio più preciso al mondo, progettato per misurare il tempo in base alle vibrazioni all'interno degli atomi. Si dice che il NIST-F1, l'orologio atomico standard degli Stati Uniti, sia così preciso che non guadagnerebbe né perderebbe un secondo in oltre 30 milioni di anni. Gli orologi atomici vengono utilizzati per coordinare sistemi che richiedono estrema precisione, come la navigazione GPS (Global Positioning System) e Internet. Un gruppo di orologi atomici situati in un certo numero di luoghi in tutto il mondo viene utilizzato insieme per stabilire il tempo universale coordinato (UTC).
Come un normale orologio, un orologio atomico tiene il tempo in base all'oscillazione, che è una variazione o movimento periodico tra due entità o tra due stati di una singola entità, creata da cambiamenti di energia. In un orologio a pendolo, ad esempio, l'oscillazione è il movimento avanti e indietro del pendolo (l'oscillatore). Un tale orologio tiene il tempo in base alla frequenza di oscillazione del pendolo, che sarà più o meno precisa, a seconda di una serie di variabili. La precisione di un orologio atomico, invece, dipende dal fatto che un atomo, fatto oscillare, vibrerà sempre alla stessa frequenza.
Nel 1945, Isidor Rabi, professore di fisica alla Columbia University, propose che le vibrazioni atomiche potessero essere utilizzate per mantenere il tempo, sulla base di qualcosa che aveva sviluppato chiamato risonanza magnetica del fascio atomico. Quattro anni dopo, il National Bureau of Standards (ora National Institute of Standards and Technology) aveva sviluppato un orologio atomico che utilizzava le vibrazioni delle molecole di ammoniaca. NIST-F1, l'attuale standard degli Stati Uniti, utilizza atomi di cesio; esso e un simile orologio atomico standard a Parigi sono i segnatempo più accurati mai realizzati.
I primi orologi atomici commerciali a base di cesio furono prodotti dalla National Company, un'azienda con sede nel Massachusetts; Frequency Electronics, FTS e Hewlett-Packard (HP) sono tra le aziende che li producono oggi. Gli orologi atomici non sono mai stati ampiamente utilizzati nei prodotti di consumo perché sono tipicamente grandi e consumano troppa energia. Recentemente, tuttavia, il NIST ha sviluppato un orologio atomico che supera questi problemi. Circa le dimensioni di un chicco di riso e con una precisione di un secondo in 126 anni, il nuovo meccanismo potrebbe presto essere prodotto su chip di computer e utilizzato in dispositivi portatili del mercato di consumo, come radio, sistemi GPS e telefoni cellulari.