Главным элементом сканирующих туннельных микроскопов является очень тонкий металлический зонд (щуп или игла), двигающийся вдоль поверхности. Между зондом и поверхностью приложено электрическое напряжение, в результате чего возникает туннельный ток, величина которого позволяет фиксировать неоднородности или иные особенности исследуемой поверхности. При этом зонд должен находиться на расстоянии 1 мкм от образца, что является условием возникновения и поддержания туннельного тока. Сканируя поверхность, подобно лучу в электронной трубке телевизора, исследователь получает высокоточную картину состояния поверхности. При идеальной «остроте» зонда, когда на его поверхности будет находиться один−единственный атом, точность описания будет соответствовать отдельным атомам.