นอกเหนือจากความแม่นยำที่เพิ่มขึ้นแล้ว การพัฒนานาฬิกาอะตอมขนาดชิปยังได้ขยายจำนวนตำแหน่งที่นาฬิกาอะตอมสามารถใช้ได้ ในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2547 นักวิทยาศาสตร์ ของ NISTได้สาธิตนาฬิกาอะตอมขนาดชิปที่เล็กกว่า นาฬิกาอะตอม ทั่วไปถึง 100 เท่า และมีการใช้พลังงานน้อยกว่ามาก125  มิลลิวัตต์ .นาฬิกาอะตอมมีขนาดประมาณเมล็ดข้าว มีความถี่ประมาณ 9 GHz เทคโนโลยีนี้มีใช้ในเชิงพาณิชย์ในปี 2554 นาฬิกาอะตอมในระดับชิปหนึ่งตัวต้องการพลังงานน้อยกว่า30 มิลลิวัตต์ สถาบันมาตรฐานและเทคโนโลยีแห่งชาติได้สร้างโปรแกรม NIST บนชิปเพื่อพัฒนาวิธีการวัดเวลาที่กะทัดรัดด้วยอุปกรณ์ที่มีความกว้างเพียงไม่กี่มิลลิเมตร ปัจจุบัน นักมาตรวิทยากำลัง (2022) ออกแบบนาฬิกาอะตอมที่ใช้การพัฒนาใหม่ๆ เช่น กับดักไอออนและหวีออปติคัลเพื่อให้ได้ความแม่นยำมากขึ้น นาฬิกาอะตอมขึ้นอยู่กับระบบของอะตอมซึ่งอาจอยู่ในสถานะพลังงานหนึ่งในสองสถานะที่เป็นไปได้ มีการเตรียมกลุ่มของอะตอมในสถานะเดียว จากนั้นนำไปฉายรังสีไมโครเวฟ ถ้าการแผ่รังสีมีความถี่ที่ถูกต้อง อะตอมจำนวนหนึ่งจะเปลี่ยนไปสู่สถานะพลังงาน อื่น ยิ่งความถี่ใกล้เคียงกับความถี่การสั่นตามธรรมชาติของอะตอมมากเท่าใด อะตอมก็จะเปลี่ยนสถานะมากขึ้นเท่านั้น ความสัมพันธ์ดังกล่าวช่วยให้สามารถปรับความถี่ของรังสีไมโครเวฟได้อย่างแม่นยำมาก เมื่อรังสีไมโครเวฟได้รับการปรับให้เป็นความถี่ที่ทราบโดยที่จำนวนอะตอมสูงสุดสลับสถานะ อะตอมและดังนั้น ความถี่การเปลี่ยนผ่านที่เกี่ยวข้องสามารถใช้เป็นออสซิลเลเตอร์ในการบอกเวลาเพื่อวัดเวลาที่ผ่านไป