Un microscope optique, qui utilise la lumière visible, ne peut pas détecter des objets inférieurs à environ 0,2 micromètre (μm) en raison des limitations imposées par la longueur d'onde de la lumière. Les atomes ont une échelle de quelques dixièmes de nanomètre (nm), ce qui est environ mille fois plus petit que la limite de résolution d'un microscope optique. Un microscope optique ne peut donc pas être utilisé pour voir les atomes.

Pour voir les atomes, il faut utiliser un microscope qui utilise un faisceau de particules d’une longueur d’onde beaucoup plus courte que la lumière visible. L'un de ces microscopes est le microscope à effet tunnel (STM), qui utilise une pointe métallique pointue pour scanner la surface d'un matériau. La pointe est positionnée très près de la surface et une tension est appliquée entre la pointe et l'échantillon. Cela provoque la circulation d’un courant tunnel entre la pointe et l’échantillon, qui peut être utilisé pour créer une image de la surface. STM peut atteindre une résolution d’une fraction de nanomètre, ce qui lui permet d’imager des atomes individuels.

Un autre type de microscope pouvant être utilisé pour observer les atomes est le microscope électronique à transmission (TEM). TEM utilise un faisceau d'électrons accélérés à de très hautes énergies, ce qui lui permet d'atteindre une résolution de quelques picomètres (pm), soit à peu près la taille d'un atome.