فرض كنيد داريد سعي مي‌كنيد از قوي‌ترين ميكروسكوپ اُپتيكي براي ديدن يك اتم استفاده مي‌كنيد. اتفاقي مي‌افتد؟ احتمالاً نور بازتابي از اتم‌ها را در ميكروسكوپ مي‌بينيد. نور خاصيت موجي دارد،‌ بنابراين امواج نوري را فرض كنيد كه اتم را روشن مي‌كنند. امواج نور مرئي حدود ده هزار برابر طول‌موج يك اتم را دارند.

براي اينكه كمكي به تصور اين مطلب كرده باشيم، مثال معروفي را درباره‌ي امواج آب در نزديكي ساحل مي‌زنيم كه روي هم سوار مي‌شوند و تا ساحل مي‌لغزند. امواج بدون اينكه تأثيري بر روي شما داشته باشند، مي‌گذرند. انرژي امواج به سختي بازگشت‌پذير مي‌شود؛ به اين دليل است كه اندازه‌ي بدن شما بسيار كم‌تر از طول‌موج امواج است. اگر كنار ساحل نبوديد، امواج به حركت خود ادامه مي‌دادند، و در نتيجه امواج برگشتي آب حضور شخص در آب را گويي حس نكرده است!

طول‌موج نور مرئي حدود ^6-10 متر (يا 1000 نانومتر) است. اندازه‌ي يك اتم حدود ^10-10 متر استاست كه خود 10000 برابر كم‌تر از طول‌موج مرئي است. وقتي يك اتم كوچك‌تر از طول‌موج اتم‌ مرئي است، اين ميزان آن‌قدر كم‌تر از نور هست كه مانعي براي مسير نور باشد. در نتيجه اتم در يك ميكروسكوپ اُپتيكي ديده نمي‌شود.

ولي تابش راديويي يا طول‌موج كوتاه‌تر چطور؟ طول‌موج‌هاي پرتو ايكس تقريباً برابر اندازه‌ي اتم‌ است، ولي بازتاب‌هاي پرتو‌‌هاي ايكس از ماده الگويي نقطه نقطه توليد مي‌كند كه شكل آن بستگي به آرايش اتم‌ها دارد. تحليل اين الگو‌ها اطلاعات مهمي درباره‌ي بلورها به‌دست مي‌دهد،‌ولي تصاوير پرتو ايكس يك اتم‌ها را نمي‌توانند نشان دهند.

بهترين راه براي تصويربرداري از اتم‌ها ابزاري است به ‌نام «ميكروسكوپ اسكن تونل زني» (Scanning Tunneling Microscope). اين ابزار براساس يكي از اثرات كاملاً كوانتم مكانيكي معادل با آبي است كه از كناره‌ي ليوان سرريز مي‌شود. اگر يك سوزن كوچك در حدود ^9-10 متر به سطحي فلزي برخورد كند، جريان الكتريكي به دليل اثر تونل‌زني ايجاد مي‌كند. مقدار اين جريان بستگي به جدايي سوزن و اتم و نيز كاهش جدايي به جاي افزايش دارد(شكل 1).

شكل 1- شمايه‌اي كلي از دستگاه STM (ميكروسكوپ اسكن تونل‌زني).  براي ديدن تصاوير بيش‌تر اينجا را كليك كنيد.

يك سيستم كنترل خودكار براساس اين جريان توليد مي‌شود كه جزييات نقشه‌ي سطح را نشان مي‌دهد. اگر جريان وارد فلز ‌شود، سوزن به سمت اتم‌هاي ديگر حركت مي‌كند تا جريان را به‌سمت بالا برگرداند و برعكس. با رديابي حركت سوزن تصويري از سطح مي‌سازد كه دقيقاً به اندازه‌ي تك اتم‌ها هستند.

شكل2 - نماي ديگري از 48 حصار كوانتمي آهن (IBM)

در تصوير چيزي به‌نام «حصار كوانتمي» (Quantum Corral) مي‌بينيد. حلقه‌اي از 48 اتم‌ آهن را مي‌بينيد كه الكترون‌ها حصاري درست كردند. در شكل منطقه‌ي آبي درون حلقه مانع از فرار الكترون‌ها مي‌شود. مناطق موجي شكل درون حلقه ويژگي‌هاي موجي الكترون‌ها را نشان مي‌دهند.

چگونه اتم را حركت مي‌دهيد؟ اگر جريان برقرار باشد، زماني كه اتم‌ به نوك سوزن مي‌چسبد.‌ وقتي اتم در محل مطلوب قرار دارد،‌جريان برعكس مي‌شود و روي سطح باقي مي‌ماند. تصوير حصار كوانتمي را نشان مي‌دهد كه كنار هم قرار گرفته‌اند.

اين تكنيك نوع جديدي از پژوهش را در شيمي نيز فراهم آورده است؛ به اين صورت كه اندركنش‌هاي شيميايي با جزييات بسيار دقيق مورد بررسي قرار مي‌گيرند. در اين روش اتم‌ها به هم نزديك مي‌شوند تا يك مولكول تشكيل دهند. بعد از اندركنش شيميايي مولكول‌ها روي سطح قرار مي‌گيرند و ديدن آن با ميكروسكوپ‌هاي اسكن تونل‌زني ميسر مي‌شود.