NIST-F4 là đồng hồ nguyên tử kiểu đài phun cesium (cesium fountain clock), hoạt động dựa trên nguyên lý làm lạnh hàng nghìn nguyên tử cesium gần mức 0 tuyệt đối bằng tia laser. Sau khi bị làm lạnh, các nguyên tử này được “phun” thẳng đứng nhờ cặp chùm laser, rồi rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực. Trong quá trình rơi, chúng đi qua vùng chứa sóng vi ba (microwave) được điều chỉnh chính xác để kích thích dao động ở tần số 9.192.631.770 lần mỗi giây – đây là tần số cơ sở dùng để xác định độ dài chính xác của một giây theo định nghĩa của Hệ đơn vị quốc tế (SI).
Theo công bố từ Viện Tiêu chuẩn và Công nghệ Quốc gia Hoa Kỳ (NIST), độ sai số tổng thể của NIST-F4 chỉ ở mức 2,2 × 10⁻¹⁶, tương đương với việc đồng hồ này chỉ lệch một giây sau khoảng 140 triệu năm vận hành liên tục. Sai lệch siêu nhỏ này chủ yếu đến từ nhiễu lượng tử ngẫu nhiên – hiện tượng vốn có thể được giảm thiểu trong tương lai nhờ các công nghệ làm lạnh và điều khiển dao động tiên tiến hơn.
NIST-F4 hiện đang chờ phê duyệt để chính thức tham gia vào mạng lưới gồm khoảng 450 đồng hồ nguyên tử chuẩn trên toàn thế giới, đóng vai trò hiệu chuẩn cho Giờ Phối hợp Quốc tế (UTC). Dữ liệu từ đồng hồ này sẽ được gửi định kỳ đến Văn phòng Cân đo Quốc tế (BIPM) nhằm đảm bảo tính thống nhất và độ chính xác thời gian toàn cầu.
Thiết bị được phát triển từ năm 2020 nhằm thay thế NIST-F1 – phiên bản đầu tiên đã ngừng hoạt động để bảo trì. Trong thời gian này, NIST-F4 sẽ hoạt động song song với NIST-F3, duy trì chu kỳ vận hành lên đến 90% tổng thời gian mỗi năm.
Theo bà Liz Donley – Trưởng bộ phận Thời gian và Tần số của NIST, nhu cầu về đo thời gian siêu chính xác đang ngày càng tăng cao trong các lĩnh vực như tài chính điện tử, định vị toàn cầu (GPS) và viễn thông. “Tín hiệu thời gian từ các đồng hồ nguyên tử được sử dụng hàng tỷ lần mỗi ngày, từ việc cài đặt đồng hồ cá nhân đến việc đảm bảo độ chính xác trong các giao dịch trị giá hàng tỷ USD”, bà Donley nhấn mạnh.
