En el Sistema Internacional de unidades se define:

1 segundo son 9192631770 transiciones radiativas entre los dos niveles hiperfinos del estado fundamental del isótopo de Cesio 133.

Los niveles hiperfinos del espectro son efectos relativistas que aparecen en el espectro electromagnético. Su estado fundamental, es decir, el estado de más baja energía, pasa a desdoblarse en dos y así los electrones pueden ocupar dos niveles ya diferenciados. Tienen un orden de magnitud de un millón de veces menos intensas que las líneas del espectro normal pero son lo suficientemente claras para que ya en a principios del siglo pasado se pudieran observar.

Para entender el funcionamiento del reloj atómico, os pongo un extracto de la Wikipedia que lo explica bastante bien.

En un extremo del reloj de cesio hay un horno con una placa de cesio del que se evaporan iones de este metal. Los iones se presentan en dos estados dependientes del spin del último electrón del cesio. Estos estados presentan una frecuencia energética de 9.192.631,770 Hz y en cada estado diferente los iones tienen propiedades magnéticas diferentes. Tras la evaporación, se utiliza un imán para separar los iones y descartar aquellos con mayor energía. Los iones con menor energía van a parar a una cámara.

Un radioemisor de microondas llena la cavidad de la cámara de forma uniforme con ondas radioeléctricas. Cuando la frecuencia de la onda radiada se acopla con la frecuencia de la transición hiperfina del cesio, los iones de cesio absorben la radiación y emiten luz. Una célula fotoeléctrica captura el momento exacto de la emisión; dicha célula tiene asociada una instrumentación electrónica que le conecta con el radioemisor y que ajusta la frecuencia del mismo.

Fuente: Wikipedia  

Gracias a este método se consiguen relojes cuya precisión es de aproximadamente 0.1 nanosegundos al día. Esto es bastante, pero no es perfecto. Los relojes atómicos tienen un problema y es que el gas de cesio que se evapora se dispersa rápidamente lo cual limita la precisión en la que se recaban los datos. 

Ahora parece que se podría conseguir mejorar la precisión, sustituyendo el cesio por otro elemento. En la University of Nevada en Reno y en la University of New South Wales en Sydney han desarrollado un nuevo reloj que se basa en el efecto Stark (es un desdoblamiento espectral debido a la aplicación de un campo eléctrico, análogo al efecto Zeeman magnético).

El fenómeno es complejo pero la clave es que el mismo campo eléctrico puede influir en el desdoblamiento de diversas maneras. De hecho, se ha descubierto recientemente que en determinadas circunstancias pueden cancelarse exactamente entre sí a una frecuencia específica. Cuando esto ocurre la línea que se debería dividir, desaparece.

Algo así debe ser relativamente simple de detectar. El campo eléctrico se suministra atrapando los átomos en un campo electromagnético producido por una onda estacionaria, como por ejemplo, en una cavidad láser. Cambiando la frecuencia de laseo mientras se observa el espectro atómico, cuando la línea desaparece has dado con la frecuencia apropiada.

Lo bueno del método es que puedes confinar millones de átomos de forma sencilla en una cavidad óptica y esto podría hacer un reloj más robusto que los relojes atómicos de cesio tradicionales, dando una precisión al menos tan buena como éstos. ¿Qué átomo podría servirnos para este menester? El grupo americano dice que el Cesio no sirve, no tiene esta frecuencia "mágica". En cambio, el Aluminio sí serviría. Y da la casualidad de que el aluminio es relativamente fácil de encontrar. 

Visto en ArxivBlog .