人類如何觀察到納米級別的世界，科學家告訴你隧道效應可以做到

波的特點對于波長小得多的障礙物不敏感，對於人眼來說，所能夠接受的光波波長大約是390nm～760nm，這個波段範圍正好和光學窗口所透過的波段相吻合，這是人眼對大自然（或說對太陽）適應的必然結果。在這個範圍我們可以看見細菌、細胞這樣微小的生命結構。但如果比這個範圍更小的波長，我們就無法用光學顯微鏡觀察到了，比如電子。

為了觀察到更小的水平，人類發明了電子顯微鏡。量子力學的理論告訴我們，電子也是波，它的波長比可見光，甚至可以比原子的尺寸更小。掃描隧道顯微鏡（STM）是一種電子顯微鏡，它利用量子隧道效應，檢測物體表面，從而達到觀察更小微觀世界的效果。

那麼掃描隧道顯微鏡是如何做到觀察微觀世界的呢？這需要我們從隧道效應說起。我們在高中的時候學過勢能這個概念，在相互作用力是「耗散力」（如摩擦力）時，設物體由A點（假設它是勢能零點）移到B點克服它做功為W，當物體由B點回到A點時，它並不能對物體做功（如克服摩擦力做功時，物體的動能轉化為內能，而無法利用這部分內能對物體做功），故不能說由於耗散力存在使物體具有了勢能。與此相反，如果上述過程是在保守力作用下進行的，那麼物體從B回到A時，保守力對物體做的功正好等於W，這是因為保守力所做的功才只與物體的初始和最終的相對位置有關。如果物體不受其它力的作用那麼這個功W就使物體得到同樣多的動能。故我們說物體在B點有勢能W（如上圖）。

勢能像一個山坡，我們通常把它叫做勢壘。一個球從地面光滑的坡下滾到坡上，如果它沒有足夠的初速度，也就沒有足夠的能量，是不能翻越這個山坡的。然而如果一個固定能量的粒子射過來，即使能很低，它仍然有一定的概率穿過這個勢壘。這種勢壘穿透效應，就像在山中挖了一條隧道，因此被稱為隧道效應。量子隧穿效應描述的是像電子等微觀粒子能夠穿入或穿越位勢壘的量子行為，儘管位勢壘的高度大於粒子的總能量。在經典力學裡，這是不可能發生的。了解了量子隧道效應後，我們接著來講掃描隧道顯微鏡的原理。

把一根非常尖的探針貼近被探測物體的表面。當探針最頂尖的一個原子距離物體表面約0.3-0.4nm（差不多一個原子的直徑）時，隧道效應就發生。這時如果在探針和被探測物體之間施加一個電壓，電子就會很容易地穿越過來。物體內部的電子是被所有原子共有的，並不是吸引過來一個電子，對面的電子就少一個。一個電子被吸引後，其他的電子會源源不斷地補充過來，吸引過來的電子也會流走。一定的勢壘穿透的概率將會導致一個穩定的電流。穿透的概率對勢壘的厚度非常敏感，所以這個電流對探針與物體表面的距離非常敏感。距離的微小變化，都會導致電流的極大變化。（如上圖）根據這一個原理，掃描隧道顯微鏡可以探測到0.01nm的細微變化，這是非常大的進步，這是原子直徑的幾十分之一。掃描隧道顯微鏡讓人類看見了物質結構在原子尺寸水平的更多細節。

格爾德·賓寧及海因裡希·羅雷爾於1981年發明了掃描隧道顯微鏡，也因此與電子顯微鏡的發明者恩斯特·魯斯卡分享了1986年諾貝爾物理學獎。

現代半導體的加工工藝高度精密，需要用能夠看清楚每一個原子的儀器檢查晶圓上的納米級半導體器件。