Contrairement aux horloges à jet thermique ou à atomes froids où les atomes traversent la cavité d’interaction, les masers à hydrogène utilisent des atomes confinés dans un ballon de stockage qui est inséré dans une cavité micro-onde résonnante. Les parois internes du ballon de stockage sont recouvertes d’un revêtement de téflon pour que l’état quantique des atomes d’hydrogène soit peu perturbé lors des multiples rebonds des atomes sur les parois.

Les atomes émettent par émission stimulée un rayonnement directement à leur fréquence de résonance (1.4 GHz pour l’hydrogène). Si les pertes dans la cavité sont suffisamment faibles, le système peut osciller spontanément et générer un signal de très haute stabilité de fréquence. Il s’agit alors d’un maser à hydrogène « actif ». Quand les pertes dans la cavité sont trop élevées, ce qui est le cas des systèmes plus compacts (inclusion d’un diélectrique dans la cavité ou utilisation d’autres géométries de cavités résonnantes, de type magnétron), le système ne peut pas osciller tout seul et le fonctionnement du maser devient alors « passif ».

Les masers à hydrogène actifs ont des stabilités de fréquence à moyen terme meilleures que celles des horloges à jet thermiques. Cette propriété les destine à des utilisations telles que la construction d’échelles de temps atomiques de haute qualité, l’interférométrie à très longue base (VLBI) mais aussi des tests de physique fondamentale comme la mesure directe du décalage gravitationnel dans la mission Gravity Probe A qui embarquait un maser actif dans une fusée. Un maser actif spatial est aussi développé en Suisse dans le cadre de la mission spatiale ACES pour être installée en complément de l’horloge PHARAO.

Les masers à hydrogène passifs sont quant à eux utilisés comme référence de temps dans les satellites du système européen de positionnement GALILEO, en complément des horloges à rubidium. Leur stabilité, inférieure à 10^-12 t^-1/2 est meilleure que celles des horloges à rubidium en cellule, à court et moyen terme.

Maser à hydrogène passif pour GALILEO (Source ESA)

Des développements originaux de masers cryogéniques utilisant des modes de galerie ont aussi été menés au laboratoire FEMTO-ST.