Un noyau atomique qui reçoit un surplus d'énergie la libère généralement sous forme de lum. Mais il existe une autre voie, découverte par Lise Meitner : le noyau éjecte l'un de ses électrons — ce processus s'appelle la conversion interne. Dans un solide, l'électron fugitif devient le principal moyen de dissiper l'énergie.

Le noyau de thorium-229 est particulier : son état excité se trouve tout près du fond, comme un murmure au bord du silence. Cette énergie ne suffit que pour un faible éclair ultraviolet, si bien que le sort du noyau dépend entièrement de son environnement électronique. Les calculs de modélisation numérique du cristal ThO₂ ont montré qu'un « fossé énergétique » étroit entre les bandes accélère la conversion jusqu'à des microsecondes, tandis qu'un fossé large l'étire des centaines de fois. En changeant de matériau, on peut donc ajuster ce processus en modifiant la profondeur du fossé.

Ce délai contrôlable transforme le cristal en horloge nucléaire. Elle servira de mesureur quantique pour la recherche de matière noire et pour tester le modèle standard. Contrairement aux horloges ordinaires, celle-ci pourrait ressentir le ralentissement gravitationnel du temps lorsqu'on la soulève de quelques étages — il suffit de l'intégrer dans un capteur quantique.