我們通過顯微鏡看到的原子，是原子的原子核，還是包括電子在內的整個原子？

這篇文章發表于1990年4月5日的nature正刊，題目是“Positioning single atoms with a scanning tunnelling microscope” （通過掃描隧道顯微鏡放置單個原子），被引用將近3000次，google scholar上有免費的下載鏈接。個人覺得這篇文章本身就是很好的解答。文章作者DM Eigler, EK Schweizer都是IBM在加州圣何塞研究院的研究員。最早的隧道掃描顯微鏡是1981年由Gerd Binning和Heinrich Rohrer在IBM位于蘇黎世的實驗室發明的，1986年此二人和電子顯微鏡的發明人分享了諾貝爾物理學獎。可見隧道掃描顯微鏡是IBM的獨門絕學，擺個自己人的Logo也不足為奇。十年光景，隧道掃描顯微鏡由單純的觀測進化成了操縱原子的有力工具，個人覺得再多個諾貝爾獎也不過分。

回到問題：我們從圖中看到的究竟是什么？灰色的背景（單晶鎳襯底）上有藍色的點狀物體。事實上，我們看到的顏色都是后期圖像處理中渲染上去的，文章中真實的STM圖像是這個樣子的，圖1：

圖中展示了這IBM是怎么一步步擺出來的。灰色和藍色是為了區分鎳和氙，再來一張側視圖：

張圖能夠彌補題圖中缺失的比例尺。也就自然回答了題主的問題：題圖顯示的不可能是原子核，原子核的半徑大概在數量級，而。這張圖還告訴我們縱向和橫向的比例尺是不同的，也就是說圖像在縱向上略有拉伸。最重要的一點是，縱坐標不是電流，而是位置。

要解釋清楚這圖像究竟是什么意思，還要從隧道掃描顯微鏡的兩種工作模式說起：恒定高度和恒定電流。一般來說，STM的探針可以用x,y,z三個軸上的壓電控制器來調整位置，如果維持z不變，只改x和y，探測通過探針的隧道電流，那么這就是其他答案中介紹的恒定高度模式，又稱開環模式。所謂開環，就是指沒有反饋，不會根據探測到的電流相應的改變z的位置。由于隧道電流和探針與樣品之間的距離有顯式的對應關系，所以可以把電流換算成距離。距離是一個標量，標量可以對應成灰度。把這個灰度賦予探針當時所在的xy位置，就能得到一張圖。這樣做有什么不好呢？假如樣品表面凹凸不平，那么我們探測到的“距離“就不一定是探針正下方的情況了。極端情況下，探針可能一頭撞在樣品上，就報廢掉了。想象一下你用手指想要了解一下刀刃的形狀，如果一下子摸上去，肯定是要把手劃破的。

如何在不把手劃破的情況下，了解刀刃呢？最好是輕輕的摸上去，感受刀刃對手的壓強，然后維持住這個壓強，順著摸下去。隧道電流探測就有這個特點：非常的靈敏，必須在很近才能有信號，遠了就又沒了，再近就撞壞了。因此就有了更加常用的第二種模式：恒定電流模式，又稱閉環模式。在這種模式下，電路探測隧道電流，并試圖通過負反饋回路把信號接回z方向，使得在xy方向移動時，z能夠自動改變，使得隧道電流保持恒定（近似認為是距離恒定，而非高度恒定）。這就像用手順著物體的輪廓摸了一遍，我的大腦能感知手的具體位置，也就知道了物體表面的情況。在閉環模式下，電流是定值，把z方向的偏離提取出來，就是xy所在點的高度，也就是題圖。

下面引用文章原文：

”圖1是在恒定電流模式下拍攝的……電流為……我們可以在閉環狀態下移動原子……“

最后一個問題，這種恒定電流有什么物理意義嗎？和電子云究竟有什么關聯呢？一般來說，工作在恒定電流模式，圖像會是一個在三維空間中的等價平面。在這個等價平面上，具有相同的電子狀態密度。也就是說，如果你把恒定電流設的小一點，你看到的IBM就會粗一些，原子可能會看著連在一起：這是低等電子狀態密度面；如果你把恒定電流設的高一點，探針就會更貼近原子，組成IBM的那些氙原子看上去就會小一些。但無論如何，探針都不會與樣品電子云大量重疊。如果大量重疊的話，會產生電荷斥力，要么劃傷樣品，要么撞壞探針。

所以我的回答是：你看到是電子云的外層的等電子狀態密度面，是由探針在恒定電流模式下在三維空間中劃出的數據點所測得的。

本文轉自知乎用戶Hydro Ding，鏈接：https://www.zhihu.com/question/23169339/answer/23904511。

材料牛Allen編輯整理。