Binnigin ja Rohrerin keksintö mahdollisti sen, että tiedemiehet pystyivät havainnollistamaan maailmaa aina molekyyleihin ja atomeihin asti. STM voitti Nobelin fysiikan palkinnon vuonna 1986, ja sitä pidetään yleisesti välineenä, joka avasi oven nanoteknologialle ja monenlaisille tutkimuksille niinkin erilaisilla aloilla kuin sähkökemia, puolijohdetiede ja molekyylibiologia.
STM syntyi kahden tiedemiehen yhteistyöstä, jotka halusivat pidentää löytämisen rajoja. Binnig ja Rohrer työskentelivät yhdessä IBM:n Zürichin tutkimuslaboratoriossa 1970-luvun lopulla, ja molemmilla oli taustaa suprajohtavuudesta, ja heitä kiehtoi atomipintojen tutkiminen – äärimmäisen monimutkainen aihe, joka hämmensi tutkijoita pintojen erilaisten ominaisuuksien vuoksi. Olemassa olevat välineet rajoittivat kuitenkin heidän tutkimuksiaan. Mikään olemassa oleva tekniikka ei antanut tutkijoille mahdollisuutta tutkia suoraan pinnan elektronista rakennetta ja epätäydellisyyksiä.
Tavallisella mikroskoopilla, jossa käytetään optisia linssejä, voitiin tarkastella valon aallonpituutta pienempiä kohteita. Elektronimikroskooppi pystyi tarkastelemaan pienempiä asioita selkeämmin kuin optinen mikroskooppi, mutta se ei silti pystynyt näkemään selvästi yksittäisiä atomeja.
Niinpä Binnig ja Rohrer päättivät rakentaa oman instrumenttinsa – jotain uutta, joka kykenisi näkemään ja manipuloimaan atomeja nanotasolla. Tätä varten he alkoivat kokeilla tunnelointia, kvantti-ilmiötä, jossa atomit pakenevat kiinteän aineen pinnalta muodostaen eräänlaisen pilven, joka leijuu pinnan yläpuolella; kun toinen pinta lähestyy, sen atomipilvi osuu päällekkäin ja tapahtuu atomien vaihto.
Ohjaamalla terävää metallia johtavaa kärkeä näytteen pinnan yli äärimmäisen pienellä etäisyydellä Binnig ja Rohrer havaitsivat, että kärjen ja pinnan välillä kulkevan sähkövirran määrää voitiin mitata. Tämän virran vaihteluilla voitiin saada tietoa pinnan sisäisestä rakenteesta ja korkeuseroinnista. Ja näistä tiedoista voitaisiin rakentaa kolmiulotteinen atomimittakaavan kartta näytteen pinnasta.
Tammikuussa 1979 Binnig ja Rohrer jättivät ensimmäisen STM:ää koskevan patenttijulkaisunsa. Pian sen jälkeen he aloittivat kollegansa Christoph Gerberin avustuksella itse mikroskoopin suunnittelun ja rakentamisen.
Työskennellessään STM:n parissa ensimmäisinä kuukausina keksijät joutuivat tekemään useita muutoksia alkuperäiseen suunnitteluunsa, jotta he pystyivät tuottamaan mittauksia tarkasti näin pienessä mittakaavassa. Nämä muutokset johtivat tärinän ja melun vähentämiseen, skannauskärjen sijainnin ja liikkeen tarkempaan hallintaan sekä itse koettimen kärjen terävyyden parantamiseen.
Heidän ensimmäisessä kokeessaan tutkittiin kultakiteen pintarakennetta. Tuloksena saaduissa kuvissa näkyi rivejä, joissa atomit olivat tarkan välimatkan päässä toisistaan, ja leveitä terasseja, jotka oli erotettu yhden atomin korkuisilla askelmilla. ”En voinut lakata katsomasta kuvia”, Binnig sanoi Nobel-luennossaan näistä ensimmäisistä kokeista. ”Se oli astuminen uuteen maailmaan.”
Mikroskoopin lisäharjoitukset paransivat mekaanisen rakenteen tarkkuutta ja johtivat yhä selkeämpiin kuviin. Ja pian Binnigin ja Rohrerin keksinnön merkitys alkoi saavuttaa tutkijoita ympäri maailmaa, jotka yhtäkkiä pääsivät ensimmäistä kertaa käsiksi yksittäisten atomien ja molekyylien nanomittakaavan maailmaan.
Koska STM:n avulla voitiin myös työntää ja vetää yksittäisiä atomeja ympäriinsä, se merkitsi myös ensimmäistä kertaa sitä, että ihminen pystyi manipuloimaan näin pieniä kohteita.
Annettuaan Binnigille ja Rohrerille fysiikan Nobel-palkinnon vain viisi vuotta ensimmäisen STM:n rakentamisen jälkeen Nobel-komitea totesi, että keksintö avasi ”aivan uusia aloja… aineen rakenteen tutkimiselle”.
Binnigin ja Rohrerin läpimurtokeksintö oli alkusysäys nanoteknologian tutkimukselle – alalle, jonka edelläkävijäksi IBM ryhtyi. Korkean resoluution kuvaustehonsa ja laajan sovellettavuutensa ansiosta STM on löytänyt merkittäviä sovelluksia fysiikan, kemian, insinööritieteiden ja materiaalitieteiden aloilla.
Atomivoimamikroskooppi (atomic force microscope, AFM), joka on STM:n jälkeläinen ja jonka Binnig kehitti vuonna 1986, aloitti uuden mikroskopian alan tekemällä mahdolliseksi kuvata materiaaleja, jotka eivät ole sähköä johtavia. AFM:n lisäksi Binnigin ja Rohrerin kehittämä pyyhkäisytunnelointimikroskooppi synnytti kokonaisen perheen siihen liittyviä välineitä ja tekniikoita, jotka ovat mullistaneet kykymme tarkastella, tutkia ja käsitellä pintoja ja materiaaleja, joita ei aiemmin voitu havaita.