Nach den Gesetzen der Quantenmechanik bewegen sich die Atome wie Wellen mit einer charakteristischen de Broglie-Wellenlänge λ = h/p, wobei h die Planck-Konstante und p der atomare Impuls ist. Für eine Geschwindigkeit von z. B. 700 m/s liegt λ in der Größenordnung von 10 pm. Dank dieser extrem kurzen Wellenlängen lassen sich durch Interferenz atomarer Wellen sehr präzise Messungen durchzuführen.
Indem sie den Wellencharakter von Kalziumatomen nutzten, realisierten Dr. habil. Fritz Riehle, Dr. Harald Schnatz, Dipl.-Phys. Tilmann Trebst und Dr. Jürgen Helmcke von der PTB Braunschweig ein optisches Frequenznormal mit zuvor unerreichter Güte. Damit gelang es ihnen, die Frequenz und Wellenlänge eines Lasers mit einer relativen Unsicherheit von 10–13 konstant zu halten und zu messen. Für ihre Arbeit „Atominterferometrie im Zeitbereich für Präzisionsmessungen“ wurden die vier Forscher mit dem Helmholtz-Preis 1999 im Bereich „Präzisionsmessung“ ausgezeichnet, der mit 12.000 DM dotiert war.
Das von Jürgen Helmcke und seinen Kollegen entwickelte Atominterferometer verwendete einzelne Kalziumatome, die mit Laserlicht gekühlt und anschließend in einer magnetooptischen Falle gefangen wurden. Nach dem Abschalten der Falle wurde solch ein Atom mit einem Laserpuls bestrahlt. Dabei absorbierte es mit 50 % Wahrscheinlichkeit ein Photon, wobei es vom Grundzustand in einen langlebigen angeregten Zustand überging. Da sich der Impuls des Atoms durch die Absorption des Photons änderte, teilte sich das atomare Wellenpaket in eine angeregte und eine nichtangeregte Teilwelle, die sich in unterschiedliche Richtungen bewegten.
Nach Wartezeiten von jeweils etwa 100 µs wurde das Atom von zwei weiteren Laserpulsen getroffen, was dazu führte, dass die beiden Teilwellen sich nach dem zweiten Puls wieder aufeinander zu bewegten und beim dritten Puls miteinander interferierten. Das Interferenzsignal war durch die Wahrscheinlichkeit gegeben, dass das Atom im angeregten Zustand detektiert wurde, was anhand seines Fluoreszenzleuchtens geschah. Aus dem Interferenzsignal ließ sich der Phasenunterschied der beiden Teilwellen ermitteln, der u. a. davon abhing, wie gut der Laser auf die Anregungsfrequenz des Atoms abgestimmt war. Dadurch dass die Forscher den Phasenunterschied konstant hielten, konnten sie die Laserfrequenz mit sehr hoher Präzision stabilisieren.
Die relative Unsicherheit der Frequenz schätzten sie zu 2,5 ∙ 10–13 ab. Im Verlauf von zweieinhalb Jahren wichen die Messungen der Frequenz eines Farbstofflasers, der mit dem Atominterferometer stabilisiert wurde, um weniger als 90 Hz voneinander ab, was einem relativen Frequenzunterschied von 10–13 entsprach. Die hohe Frequenzstabilität solcher Laser hoffte man, für noch genauere Atomuhren zu nutzen, während ihre entsprechend hohe Wellenlängenstabilität diese Laser zu den damals genauesten Längennormalen machte. Da der Phasenunterschied der beiden interferierenden atomaren Teilwellen auch von der Beschleunigung abhing, die auf die Atome wirkte, ließ sich das Atominterferometer auch zu einem hochempfindlichen Sensor für Beschleunigungs- und Gravitationskräfte machen. Mit solchen Sensoren könnten z. B. Erdöl- oder Erzlagerstätten anhand der lokalen Schwankungen der Erdanziehung aufgespürt werden.