La première étape consiste à sélectionner des atomes d'hydrogène dans leur état d'émetteur. Cela fait, on envoie un jet de ces atomes vers une cavité appelée cavité de résonance. Ils y sont soumis à une onde électromagnétique de fréquence adéquate. Excités, les atomes émettent un signal (très faible, de l'ordre d'un dixième de picowatt!) qui sera capté par un détecteur. Mais un atome est vite perturbé  par un champ magnétique. Il faut donc éliminer tous les effets dus à des champs résiduels (le champ magnétique terrestre par exemple), ce qui nécessite d'entourer le système d'un blindage magnétique. Pour que les atomes d'hydrogène soient seuls dans la cavité, il faut y créer le vide, d'où la présence de pompes à vide. Comme la cavité ne peut emmagasiner qu'une onde à une fréquence particulière, sa grandeur dépend de la longueur de l'onde qui excite les atomes, donc du choix de ceux-ci. Pour l'hydrogène,  il faut une cavité d'une vingtaine de cm de diamètre (la taille des cavités des horloges à rubidium est moindre, mais ces horloges sont moins stables). Une taille qui ne pourra absolument pas varier, notamment sous l'effet de la température, sinon cela influencera la fréquence et perturbera le système. Il faut donc stabiliser l'ensemble au dix-millième de degré! Sans compter, en amont un système qui dissocie les molécules H2 du gaz d'hydrogène en atomes H et, en aval, toute l'électronique de détection des signaux. Bref, on l'aura compris: un MASER à hydrogène est un système relativement volumineux et lourd. Ce qui accroît d'autant la taille et le poids (donc le coût de lancement!) des satellites lorsqu'il faut les envoyer dans l'espace.

L'idée du professeur Thierry Bastin et de la firme Gillam-FEi est donc de miniaturiser une telle horloge. Il existe déjà des horloges de type maser à hydrogène de tailles assez réduites mais leurs performances sont moindres car elles fonctionnent en un mode dégradé (mode passif). Le pari liégeois est de miniaturiser le système sans en diminuer la performance (en gardant le caractère actif de l’horloge). « Nous avons introduit un projet dans le cadre du Plan Marshall en 2008, explique Thierry Bastin. L'objectif final est de réaliser un prototype à embarquer sur satellite. Mais nous démarrions de zéro, et nous avons donc choisi de commencer par construire une horloge atomique traditionnelle avec l'aide d’une personne ayant déjà spécifiquement de l’expérience avec ce type d’horloges, en l’occurrence le docteur Cipriana Mandache. C'est ce que nous avons fait et l'horloge fonctionne aujourd'hui à notre entière satisfaction. L'étape suivante est celle de la miniaturisation. Et là, nous n'en sommes qu'au début... ». Car si le principe de base du MASER est connu depuis des décennies, la réalisation pratique est truffée de mille astuces. Et la miniaturisation se heurte à un problème... de taille: la grandeur de la cavité n'est pas neutre mais est liée aux longueurs d'onde utilisées. Comment dès lors réduire cette cavité sans, en quelque sorte, que le système ne s'en aperçoive? « Nous devons imaginer un autre design de la cavité, explique Thierry Bastin. Mais il faut se rendre compte que tout n'est pas connu, il n'existe pas de formule toute faite pour de si petites horloges et les simulations demandent des capacités informatiques énormes; on ne sait pas toujours tout simuler et notre travail doit est parfois être donc empirique à certains bien des égards lorsqu’il s’agit d’optimiser les composants. » Rendez-vous dans deux ou trois ans pour savoir s'il a porté ses fruits!