Un faisceau laser traverse une cuve en verre contenant de la vapeur de rubidium, et la façon dont les atomes absorbent la lumière révèle leur température. C'est comparable à la mesure de la vitesse des voitures par le flou d'une photo : plus les atomes se déplacent vite, plus la raie d'absorption s'élargit.
Un thermomètre ordinaire émet une seule fréquence et la fait varier lentement, comme une personne qui essaie les touches d'un piano une par une. Pendant ce temps, les atomes ont le temps de « s'habituer » à la lumière et de fausser le signal, un peu comme si le pianiste maintenait une touche trop longtemps et que le son devenait flou. Le nouvel appareil, lui, joue un accord au lieu d'une note unique : le peigne de fréquences envoie des milliers de fréquences simultanément dans la vapeur, et les atomes n'ont pas le temps de déformer le signal.
Ce thermomètre n'a pas besoin d'être réglé pour un gaz particulier et fonctionne rapidement. On peut l'installer dans une usine pharmaceutique, où les médicaments sont sensibles à la chaleur, ou près de conteneurs de déchets nucléaires, où une surveillance constante sans intervention humaine est nécessaire.
Un peigne de fréquences est une lumière qui contient simultanément des milliers de fréquences également espacées, comme les dents d'un peigne. Son invention a valu le prix Nobel de physique en 2005.
Dans la série « The Expanse », des thermomètres à laser surveillent la température des réacteurs nucléaires du vaisseau afin de détecter rapidement une surchauffe.