Die Erfindung von Binnig und Rohrer ermöglichte es den Wissenschaftlern wie kein anderes Instrument zuvor, die Welt bis hinunter zu ihren Molekülen und Atomen sichtbar zu machen. Das STM wurde 1986 mit dem Nobelpreis für Physik ausgezeichnet und gilt weithin als das Instrument, das die Tür zur Nanotechnologie und zu einer Vielzahl von Untersuchungen in so unterschiedlichen Bereichen wie der Elektrochemie, der Halbleiterforschung und der Molekularbiologie geöffnet hat.
Das STM entstand aus der Zusammenarbeit zweier Wissenschaftler, die die Grenzen der Forschung erweitern wollten. In den späten 1970er Jahren arbeiteten Binnig und Rohrer gemeinsam am IBM-Forschungslabor in Zürich und waren beide auf dem Gebiet der Supraleitung tätig. Sie waren fasziniert von der Untersuchung atomarer Oberflächen – ein Thema von extremer Komplexität, das die Wissenschaftler aufgrund der besonderen Eigenschaften der Oberflächen vor ein Rätsel stellte. Aber sie waren in ihren Forschungen durch den Stand der vorhandenen Werkzeuge eingeschränkt. Keine bestehende Technologie erlaubte es den Wissenschaftlern, die elektronische Struktur und die Unvollkommenheiten einer Oberfläche direkt zu erforschen.
Ein gewöhnliches Mikroskop, das mit optischen Linsen arbeitet, konnte Objekte betrachten, die kleiner als die Wellenlänge des Lichts waren. Ein Elektronenmikroskop konnte kleinere Dinge mit größerer Klarheit betrachten als ein optisches Mikroskop, aber immer noch nicht einzelne Atome.
So beschlossen Binnig und Rohrer, ihr eigenes Instrument zu bauen – etwas Neues, das in der Lage sein würde, Atome im Nanobereich zu sehen und zu manipulieren. Zu diesem Zweck begannen sie mit dem Tunneln zu experimentieren, einem Quantenphänomen, bei dem Atome die Oberfläche eines Festkörpers verlassen und eine Art Wolke bilden, die über der Oberfläche schwebt; wenn sich eine andere Oberfläche nähert, überschneidet sich deren Atomwolke und es kommt zu einem atomaren Austausch.
Indem sie eine scharfe, leitende Metallspitze in extrem geringem Abstand über die Oberfläche einer Probe manövrierten, fanden Binnig und Rohrer heraus, dass die Menge des elektrischen Stroms, der zwischen der Spitze und der Oberfläche fließt, gemessen werden kann. Schwankungen in diesem Strom könnten Informationen über die innere Struktur und das Höhenrelief der Oberfläche liefern. Und aus diesen Informationen könnte man eine dreidimensionale Karte der Probenoberfläche auf atomarer Ebene erstellen.
Im Januar 1979 reichten Binnig und Rohrer ihre erste Patentanmeldung für das STM ein. Bald darauf begannen sie mit Hilfe ihres Forscherkollegen Christoph Gerber mit dem Entwurf und der Konstruktion des Mikroskops selbst.
In den ersten Monaten ihrer Arbeit am STM mussten die beiden Erfinder eine Reihe von Anpassungen an ihrem ursprünglichen Entwurf vornehmen, um genaue Messungen in einem so winzigen Maßstab zu ermöglichen. Diese Änderungen führten zu einer Verringerung der Vibrationen und des Rauschens, zu einer präziseren Steuerung der Position und Bewegung der Abtastspitze und zu einer verbesserten Schärfe der Sondenspitze selbst.
In ihrem ersten Experiment untersuchten sie die Oberflächenstruktur eines Goldkristalls. Die resultierenden Bilder zeigten Reihen von präzise angeordneten Atomen und breite Terrassen, die durch Stufen von einem Atom Höhe getrennt waren. „Ich konnte nicht aufhören, die Bilder zu betrachten“, sagte Binnig in seinem Nobelvortrag über diese ersten Experimente. „Es war der Eintritt in eine neue Welt.“
Weitere Verfeinerungen des Mikroskops verbesserten die Präzision des mechanischen Aufbaus und führten zu immer klareren Bildern. Und schon bald wurde die Bedeutung von Binnigs und Rohrers Erfindung Wissenschaftlern auf der ganzen Welt bewusst, die plötzlich zum ersten Mal Zugang zur nanoskaligen Welt der einzelnen Atome und Moleküle hatten.
Da das STM auch dazu verwendet werden konnte, einzelne Atome zu schieben und zu ziehen, war es auch das erste Mal, dass Menschen so kleine Objekte manipulieren konnten.
Bei der Verleihung des Nobelpreises für Physik an Binnig und Rohrer, nur fünf Jahre nach dem Bau des ersten STM, sagte das Nobelkomitee, die Erfindung eröffne „völlig neue Felder … für die Erforschung der Struktur der Materie.“
Die bahnbrechende Erfindung von Binnig und Rohrer war der Ausgangspunkt für die Forschung in der Nanotechnologie – ein Bereich, in dem IBM später Pionierarbeit leistete. Aufgrund seiner hohen Auflösung und seiner breiten Anwendbarkeit hat das STM wichtige Anwendungen in den Bereichen Physik, Chemie, Ingenieurwesen und Materialwissenschaften gefunden.
Das Rasterkraftmikroskop (AFM), ein von Binnig 1986 entwickelter Abkömmling des STM, begründete einen neuen Bereich der Mikroskopie, indem es die Abbildung von nicht elektrisch leitfähigen Materialien ermöglichte. Neben dem AFM hat das Rastertunnelmikroskop von Binnig und Rohrer eine ganze Familie verwandter Instrumente und Techniken hervorgebracht, die unsere Fähigkeit revolutioniert haben, Oberflächen und Materialien zu betrachten, zu erforschen und zu manipulieren, die zuvor nicht beobachtbar waren.