Туннелирование электронов через потенциальный барьер является одночастичным квантовым эффектом. Вероятность туннелирования экспоненциально зависит от толщины барьера (вдоль направления туннелирования), поэтому туннельный ток  через зазор между иглой и поверхностью образца резко зависит от толщины зазора. По этой причине, если поддерживать постоянным туннельный ток и перемещать иглу вдоль поверхности на расстоянии от нее порядка 0.1нм, то можно получить карту рельефа поверхности с субатомным разрешением. За создание  СТМ Г.К.Бинниг и Г.Рорер были удостоены Нобелевской премии в 1986г.

Еще более важный режим работы состоит в измерении локальной вольт-амперной характеристики V(I)  туннельного промежутка, производная от которой (dI/dV)  несет информацию о локальной плотности состояний в исследуемом образце. На рисунках приведены примеры  измерения (dI/dV) при сканировании иглы вдоль поверхности  сверхпроводника NbSe2 и топологического изолятора BiSTS. В первом случае видна выявленная симметрия волновой функции электронов, во втором – особенности при энергии Дираковской точки (DP), дна зоны проводимости (BCB) и потолка валентной зоны (BVB).

Туннельный контакт может быть сформирован в исследуемом материале методом «break-junction». Для этого в образце контролируемым образом делается микротрещина, в результате чего образуются два «берега» одного и того же материала, связанных между собой туннельным образом. Данная методика позволяет получать и исследовать туннельные контакты типа «S-N-S» и  «S-I-S», изучая вольт-амперные характеристики  I(V) и зависимости дифференциальной проводимости dI/dV от напряжения на барьере. Из измерений извлекаются такие важнейшие характеристики сверхпроводников, как количество и величины щелей в энергетическом спектре, а также их анизотропию и  эволюцию с температурой.

Эксперимент проводится на созданной в лаборатории установке, обладающей выдающимися характеристиками.  Кроме того, в лаборатории разрабатываются методы создания и исследования микро- и наноразмерных туннельных мезаструктур. При помощи УФ- и электронной литографии на образцах размером всего в несколько микрон изготавливаются измерительные контакты, а с помощью фокусированного пучка ионов Ga делаются необходимые разрезы с “нано-хирургической” точностью. Подобные структуры обладают лучшей однородностью и большей выраженностью кристаллографической анизотропии, по сравнению со своими макрособратьями.