什么是扫描隧穿显微镜

金仲辉

读者小川问：“扫描隧穿显微镜是一种什么样的显微镜？它和普通显微镜有什么不同？”在上期文章中我们介绍了量子力学，这里所提到的扫描隧穿显微镜就是量子力学的典型应用.它的工作原理是量子力学中的隧道效应.

什么是隧道效应

隧道效应又被称为势垒贯穿效应，它是由微观粒子波動性所决定的量子效应.根据我们在课堂上所学过的机械能转化知识，如图1所示的小球.如果它在A处的动能小于它在B处的势能，在没有外力的作用下，小球是无法到达并跨越B点的，但是，按照量子力学的结论，如果小球换成了微观粒子，在向上运动的过程中，它是有可能到达B点甚至跨越B点，当然微观粒子到达并跨越B点的概率要小于无法到达B点的概率.在物理学中，势能比附近都高的空间区域被称为势垒.在图1中B点附近所属的区域就是势垒，在微观领域中，即使粒子的能量小于势垒，也有可能穿越它，这就是势垒贯穿效应.即隧道效应.势垒的势能越大、区域越厚，则微观粒子穿越的概率越小（如图2）.隧道效应是微观世界中的一种效应，在宏观世界中小球是永远无法到达并跨越B点的.隧道效应是理解许多自然现象的基础，例如某些放射性元素内部粒子所拥有的能量小于离开原子核所需要的能量.但是由于隧道效应，有一部分粒子却依然可以离开原子核，使元素产生放射性.

扫描隧穿显微镜

普通的显微镜是利用光学原理来观察宏观物体的结构，而扫描隧穿显微镜是利用隧道效应去观察原子尺度的微观结构，其工作原理如图3所示：将需要观察的固体样本不断靠近针尖，当两者距离达到纳米数量级时，由于隧道效应，固体样本上的电子就会向针尖移动.使整个电路中的电流发生变化，通过现代电子技术，测出电流的变化就可以知道被测固体样本的表面结构.

扫描隧穿显微镜具有极高的灵敏度，它能够分辨出只有1%原子大小的细节，使人们能够观察原子尺度的微观结构，此外，利用扫描隧穿显微镜的探针还可以按照人们的意愿移动单个原子.图4所示就是科学家利用探针拨动单个碳原子所绘制出的中国版图.

扫描隧穿显微镜的出现不仅解释了固体物理中的一些难题，它在材料科学、生命科学等领域的研究也有着重大的意义和广阔的应用前景.扫描隧穿显微镜的发明者宾宁和罗雷尔也因此获得了1986年的诺贝尔物理学奖.