Som intet instrument før det gjorde Binnig og Rohrers opfindelse det muligt for videnskabsfolk at visualisere verden helt ned til molekylerne og atomerne. STM’et vandt Nobelprisen i fysik i 1986 og anses generelt for at være det instrument, der åbnede døren til nanoteknologi og en lang række undersøgelser inden for så forskellige områder som elektrokemi, halvledervidenskab og molekylærbiologi.
STM’et opstod i et samarbejde mellem to videnskabsmænd, der ønskede at flytte grænserne for opdagelser. Binnig og Rohrer arbejdede sammen på IBM Zurich Research Laboratory i slutningen af 1970’erne, og de havde begge en baggrund inden for superledning og var fascineret af studiet af atomare overflader – et emne af ekstrem kompleksitet, som forvirrede forskerne på grund af overfladernes særlige egenskaber. Men de var begrænset i deres udforskning af de eksisterende værktøjer. Ingen eksisterende teknologi gav forskerne mulighed for direkte at udforske en overflades elektroniske struktur og ufuldkommenheder.
Et almindeligt mikroskop, der anvender optiske linser, kunne se objekter, der var mindre end lysets bølgelængde. Et elektronmikroskop kunne se mindre ting med større klarhed end et optisk mikroskop, men kunne stadig ikke tydeligt se de enkelte atomer.
Så Binnig og Rohrer besluttede at bygge deres eget instrument – noget nyt, der ville være i stand til at se og manipulere atomer på nanoskala-niveau. For at gøre det begyndte de at eksperimentere med tunneling, et kvantefænomen, hvor atomer undslipper overfladen af et fast stof for at danne en slags sky, der svæver over overfladen; når en anden overflade nærmer sig, overlapper dens atomsky, og der sker en atomudveksling.
Ved at manøvrere en skarp ledende metalspids hen over overfladen af en prøve i en ekstremt lille afstand fandt Binnig og Rohrer ud af, at man kunne måle mængden af elektrisk strøm, der flyder mellem spidsen og overfladen. Variationer i denne strøm kunne give oplysninger om overfladens indre struktur og højderelief. Og ud fra disse oplysninger kunne man opbygge et tredimensionalt kort i atomar skala over prøvens overflade.
I januar 1979 indgav Binnig og Rohrer deres første patentanmeldelse på STM’en. Kort efter begyndte de med hjælp fra forskerkollegaen Christoph Gerber at designe og konstruere selve mikroskopet.
I løbet af de første måneder, hvor de arbejdede på STM’et, måtte de to opfindere foretage en række justeringer af deres oprindelige design for at kunne foretage nøjagtige målinger på så lille en skala som denne. Disse ændringer førte til en reduktion af vibrationer og støj, en mere præcis styring af scanningspidsens placering og bevægelse og en forbedret skarphed af selve sondetippen.
Deres første eksperiment omfattede overfladestrukturen af en guldkrystal. De resulterende billeder viste rækker af præcist adskilte atomer og brede terrasser adskilt af trin på et atom i højden. “Jeg kunne ikke holde op med at kigge på billederne”, sagde Binnig i sin Nobelforelæsning om disse første eksperimenter. “Det var at komme ind i en ny verden.”
Mere finjusteringer af mikroskopet forbedrede præcisionen af den mekaniske konstruktion og resulterede i stadig klarere billeder. Og snart begyndte betydningen af Binnig og Rohrers opfindelse at nå ud til forskere over hele verden, som pludselig for første gang havde adgang til den nanoskala verden af individuelle atomer og molekyler.
Da STM’et også kunne bruges til at skubbe og trække individuelle atomer rundt, var det også første gang, at mennesker kunne manipulere så små objekter.
I forbindelse med tildelingen af Nobelprisen i fysik til Binnig og Rohrer blot fem år efter, at det første STM blev bygget, udtalte Nobelkomitéen, at opfindelsen åbnede “helt nye områder … for studiet af stoffets struktur”.
Binnig og Rohrers banebrydende opfindelse var udgangspunktet for forskning inden for nanoteknologi – et område, som IBM blev pioner inden for. Og på grund af sin billeddannelseskraft med høj opløsning og brede anvendelighed har STM fundet store anvendelsesmuligheder inden for fysik, kemi, ingeniørvidenskab og materialevidenskab.
Atomkraftmikroskopet (AFM), et afkom af STM’et, der blev udviklet af Binnig i 1986, startede et nyt område inden for mikroskopi ved at gøre det muligt at afbilde materialer, der ikke er elektrisk ledende. Ud over AFM’et gav Binnig og Rohrers scanning-tunnelmikroskop anledning til en hel familie af beslægtede instrumenter og teknikker, som har revolutioneret vores evne til at se, udforske og manipulere overflader og materialer, som ikke tidligere kunne observeres.