El funcionamiento del STM se basa en el efecto túnel.⁴ Para entenderlo mejor, imaginemos que tenemos dos alambres metálicos y queremos pasar una corriente de uno de los alambres al otro. Para que esto sea posible, los dos alambres deben tocarse de tal forma que la corriente eléctrica pueda completar su trayectoria. No obstante, a escalas muy pequeñas, el contacto entre los dos alambres no es necesario; si se acercan a una distancia de unas décimas de nanómetros, se puede observar una pequeña corriente, que crece rápidamente conforme disminuye la separación.

Este fenómeno de conducción de corriente a través de un material aislante delgado (donde clásicamente
no se espera conducción), se conoce como tunelamiento de electrones (figura 2). Los electrones están tuneleando a través de una barrera –que en este caso es el aire entre los alambres–. Si hiciéramos la analogía con objetos más grandes,sería como si tirásemos una pelota contra una pared y la pelota la atravesase (cuadro 1).

Usando el STM podemos construir imágenes ampliadas del paisaje atómico de un objeto, las cuales normalmente son imposibles de ver. Aunque el microscopio tiene resolución atómica, es decir, que puede separar un átomo de otro, las imágenes obtenidas no necesariamente muestran los átomos o todos ellos. Lo que ve el STM es la forma como se distribuyen los electrones al interactuar la superficie con la punta del microscopio.

Regularmente, las imágenes del STM dependen del voltaje que se aplica entre la punta y la superficie. Si observamos la figura 3, en la imagen A, hay un voltaje positivo entre la punta y la superficie, mientras que en la B, el voltaje es negativo. Nótese que hay una diferencia entre las dos imágenes. Cada uno de los puntos brillantes corresponde a un átomo, pero los átomos que se ven en la imagen “A” son diferentes a los de la otra. Para ver todos los átomos de la superficie es necesario usar las dos imágenes [2].