掃描穿隧顯微鏡（scanning tunneling microscope）

掃描穿隧顯微鏡（STM）做的事聽起來不可能：它用一根針感覺表面上一個個的原子，卻從不碰到它們。你拿一根末端尖到只剩單一原子的金屬探針，把它移到離表面約一奈米之內——很近，但有清楚的間隙。接著你在探針與表面之間加一個小電壓。古典上，電流不該跨越這個空隙，但量子力學允許電子「穿隧」越過它，於是出現一股微小的穿隧電流。那股電流就是訊號。這台儀器由格爾德.賓寧與海因里希.羅雷爾於 1980 年代初發明（1986 年諾貝爾獎），把那股微弱的量子電流變成了單一原子的影像。

神奇之處在於穿隧電流對間隙的依賴有多陡。它隨距離指數衰減——間隙每多零點一奈米，電流大約縮小十倍。這種極端的靈敏度正是給出比單一原子還細的垂直解析度的原因：把探針靠近一絲，電流就躍升。在常用模式中，一個電子回饋迴路在探針掃描時上下移動它，不斷調整高度以維持電流固定；把那些高度調整記錄下來、映射到整個表面，就成為一張等高圖，圖上單個表面原子呈現為凸起。探針甚至能被用來把單個原子推到定位——那些用原子拼出文字的著名示範。

這裡有個誠實的微妙處。STM 並非字面上感覺原子核；穿隧電流取決於表面可供利用的局部電子態密度。所以那些「凸起」其實是電子可供穿隧之處，這通常但不總是與原子位置重合——有時一個亮點是一個電子態而非原子，而影像取決於你施加的電壓。還有一個硬性條件：樣品必須導電（金屬或半導體），因為絕緣體無法承載穿隧電流。也常需要乾淨表面與超高真空。在這些限制內，STM 一粒一粒地看見電子性的表面——一扇真正原子解析度的窗，只要你記得它顯示的是電子，不是原子核。