1981年随着扫描隧道显微镜（scanning tunneling microscope）的发明，物理学家作出了一个突破，它为在苏黎世（Zurich）的IBM实验室工作的科学家盖尔德·宾尼（Gerd Bining）和海因里希·罗雷尔（Heinrich Rohrer）赢得了诺贝尔奖。
    突然间，物理学家获得了单个原子们排列成化学书中的模样的惊人“图像”，这是曾被原子理论的批评者们认为不可能的情形。排列在水晶和金属中的原子的绚丽照片如今已成为可能。科学家们常常使用的化学式中有一系列复杂的原子包裹在一个分子中，可以用肉眼看见。此外，扫描隧道显微镜使得操控单个原子有了可能性。事实上，“IBM”三个字母被使用原子给拼写了出来，在科学界制造了一阵轰动。科学家们在操控单个原子时不再茫然了，而是能够确实看到它们，与它们嬉戏。

    恒电流模式
    利用一套电子反馈线路控制隧道电流 I ，使其保持恒定。再通过计算机系统控制针尖在样品表面扫描，即是使针尖沿x、y两个方向作二维运动。由于要控制隧道电流 I 不变，针尖与样品表面之间的局域高度也会保持不变，因而针尖就会随着样品表面的高低起伏而作相同的起伏运动，高度的信息也就由此反映出来。这就是说，STM得到了样品表面的三维立体信息。这种工作方式获取图象信息全面，显微图象质量高，应用广泛。
    恒高度模式
    在对样品进行扫描过程中保持针尖的高度不变；于是针尖与样品表面的局域距离将发生变化，隧道电流I的大小也随着发生变化；通过计算机记录隧道电流的变化，并转换成图像信号显示出来，即得到了STM显微图像。这种工作方式仅适用于样品表面较平坦、且组成成分单一(如由同一种原子组成)的情形。 从STM的工作原理可以看到：STM工作的特点是利用针尖扫描样品表面，通过隧道电流获取显微图像，而不需要光源和透镜。这正是得名“扫描隧道显微镜”的原因。

    扫描隧道显微镜的工作原理简单得出乎意料。就如同一根唱针扫过一张唱片，一根探针慢慢地通过要被分析的材料（针尖极为尖锐，仅仅由一个原子组成）。一个小小的电荷被放置在探针上，一股电流从探针流出，通过整个材料，到底层表面。当探针通过单个的原子，流过探针的电流量便有所不同，这些变化被记录下来。电流在流过一个原子的时候有涨有落，如此便极其细致地探出它的轮廓。在许多的流通后，通过绘出电流量的波动，人们可以得到组成一个网格结构的单个原子的美丽图片。