Contrairement aux ions, les atomes neutres ne peuvent pas être manipulés simplement avec un champ électromagnétique. Toutefois, ils peuvent être piégés dans des puits de potentiel lumineux créés par une onde stationnaire laser. Ces puits répartis régulièrement constituent alors un réseau optique permettant de piéger plusieurs milliers d’atomes, laissant espérer une amélioration notable de la stabilité par rapport à une horloge à ion unique. Toutefois, pendant longtemps, le déplacement de la fréquence d’horloge dû à ce piégeage lumineux a été considéré comme une entrave incontournable au développement d’horloges à réseaux optiques de grande exactitude. Mais une solution a été trouvée avec l’ajustement de la longueur d’onde du laser de piégeage à une « valeur magique » telle que les niveaux d’énergie de la transition d’horloge des atomes piégés sont modifiés de la même façon à cause de la lumière laser : la fréquence d’horloge n’est alors pas affectée en première approximation.

De nombreuses horloges à réseaux optiques sont aujourd’hui en développement dans les laboratoires, utilisant différents atomes. C’est avec l’atome de strontium (Sr) que la meilleure incertitude de fréquence – record toutes catégories – a été obtenue à ce jour : 2. 10^-18

En France, plusieurs horloges à réseaux optiques de strontium et de mercure ont été réalisées. Le mercure présente l’avantage de disposer de six isotopes utilisables car abondants, dont deux fermions et quatre bosons. Un autre avantage tient à la valeur au moins dix fois plus faible d’un des effets systématiques dominants (déplacement lié au rayonnement thermique ambiant) par rapport aux autres atomes.