Comme aucun autre instrument avant lui, l’invention de Binnig et Rohrer a permis aux scientifiques de visualiser le monde jusqu’à ses molécules et ses atomes. Le STM a remporté le prix Nobel de physique en 1986 et est largement considéré comme l’instrument qui a ouvert la porte à la nanotechnologie et à un large éventail d’explorations dans des domaines aussi divers que l’électrochimie, la science des semi-conducteurs et la biologie moléculaire.
Le STM est né d’une collaboration entre deux scientifiques qui voulaient repousser les limites de la découverte. Travaillant ensemble au laboratoire de recherche IBM de Zurich à la fin des années 1970, Binnig et Rohrer avaient tous deux une formation en supraconductivité et étaient fascinés par l’étude des surfaces atomiques – un sujet d’une extrême complexité qui laissait les scientifiques perplexes en raison des caractéristiques distinctes des surfaces. Mais ils étaient limités dans leurs explorations par l’état des outils existants. Aucune technologie existante ne permettait aux scientifiques d’explorer directement la structure électronique et les imperfections d’une surface.
Un microscope ordinaire, qui utilise des lentilles optiques, pouvait voir des objets plus petits que la longueur d’onde de la lumière. Un microscope électronique pouvait voir des choses plus petites avec plus de clarté qu’un microscope optique, mais ne pouvait toujours pas voir clairement les atomes individuels.
C’est pourquoi Binnig et Rohrer ont décidé de construire leur propre instrument – quelque chose de nouveau qui serait capable de voir et de manipuler les atomes à l’échelle nanométrique. Pour ce faire, ils ont commencé à expérimenter l’effet tunnel, un phénomène quantique dans lequel les atomes s’échappent de la surface d’un solide pour former une sorte de nuage qui plane au-dessus de la surface ; lorsqu’une autre surface s’approche, son nuage atomique se chevauche et un échange atomique se produit.
En manœuvrant une pointe conductrice métallique pointue sur la surface d’un échantillon à une distance extrêmement faible, Binnig et Rohrer ont découvert que la quantité de courant électrique circulant entre la pointe et la surface pouvait être mesurée. Les variations de ce courant pouvaient fournir des informations sur la structure interne et la hauteur-relief de la surface. Et à partir de ces informations, on pourrait construire une carte tridimensionnelle à l’échelle atomique de la surface de l’échantillon.
En janvier 1979, Binnig et Rohrer ont soumis leur première divulgation de brevet sur le STM. Peu de temps après, avec l’aide de leur collègue chercheur Christoph Gerber, ils ont commencé la conception et la construction du microscope lui-même.
Pendant leurs premiers mois de travail sur le STM, les deux inventeurs ont dû apporter une série d’ajustements à leur conception originale pour produire avec précision des mesures à une échelle aussi minuscule. Ces modifications entraînent une réduction des vibrations et du bruit, un contrôle plus précis de l’emplacement et du mouvement de la pointe de balayage et une amélioration de la netteté de la pointe de la sonde elle-même.
Leur première expérience portait sur la structure de surface d’un cristal d’or. Les images obtenues ont montré des rangées d’atomes espacés avec précision et de larges terrasses séparées par des marches d’un atome de hauteur. « Je ne pouvais pas m’arrêter de regarder les images », a déclaré Binnig dans sa conférence Nobel sur ces premières expériences. « C’était l’entrée dans un nouveau monde. »
De nouveaux perfectionnements du microscope ont amélioré la précision de la conception mécanique et ont permis d’obtenir des images de plus en plus claires. Et bientôt, l’importance de l’invention de Binnig et Rohrer a commencé à atteindre les scientifiques du monde entier, qui ont soudainement eu accès pour la première fois au monde nanométrique des atomes et des molécules individuels.
Puisque le STM pouvait également être utilisé pour pousser et tirer des atomes individuels autour, il a également marqué la première fois que les humains pouvaient manipuler des objets aussi petits.
En décernant à Binnig et Rohrer le prix Nobel de physique cinq ans seulement après la construction du premier STM, le comité Nobel a déclaré que cette invention ouvrait « des champs entièrement nouveaux… pour l’étude de la structure de la matière. »
L’invention révolutionnaire de Binnig et Rohrer a été le point de départ de la recherche en nanotechnologie – un domaine dont IBM a ensuite été le pionnier. Et en raison de son pouvoir d’imagerie à haute résolution et de sa large applicabilité, le STM a trouvé des applications majeures dans les domaines de la physique, de la chimie, de l’ingénierie et de la science des matériaux.
Le microscope à force atomique (AFM), un rejeton du STM qui a été développé par Binnig en 1986, a lancé un nouveau domaine de la microscopie en rendant possible l’imagerie de matériaux qui n’étaient pas électriquement conducteurs. En plus de l’AFM, le microscope à effet tunnel de Binnig et Rohrer a donné naissance à toute une famille d’instruments et de techniques connexes qui ont révolutionné notre capacité à voir, explorer et manipuler des surfaces et des matériaux qui n’étaient pas observables auparavant.