Zoals geen enkel ander instrument vóór hem, stelde de uitvinding van Binnig en Rohrer wetenschappers in staat de wereld tot in de moleculen en atomen zichtbaar te maken. De STM won de Nobelprijs voor Natuurkunde in 1986 en wordt algemeen beschouwd als het instrument dat de deur opende naar nanotechnologie en een breed scala van onderzoeken op uiteenlopende gebieden als elektrochemie, halfgeleiderwetenschap en moleculaire biologie.
De STM ontstond uit een samenwerking tussen twee wetenschappers die de grenzen van ontdekkingen wilden verleggen. Binnig en Rohrer, die eind jaren zeventig samenwerkten in het IBM Zurich Research Laboratory, hadden beiden een achtergrond in supergeleiding en waren gefascineerd door de studie van atomaire oppervlakken – een onderwerp van extreme complexiteit dat wetenschappers verbijsterde vanwege de verschillende eigenschappen van de oppervlakken. Maar zij werden in hun onderzoek beperkt door de stand van de bestaande instrumenten. Geen enkele bestaande technologie stelde wetenschappers in staat om de elektronische structuur en onvolkomenheden van een oppervlak rechtstreeks te onderzoeken.
Een gewone microscoop, die gebruik maakt van optische lenzen, kon objecten bekijken die kleiner waren dan de golflengte van licht. Een elektronenmicroscoop kon kleinere dingen bekijken met een grotere helderheid dan een optische microscoop, maar kon nog steeds niet duidelijk individuele atomen bekijken.
Dus besloten Binnig en Rohrer hun eigen instrument te bouwen – iets nieuws dat in staat zou zijn atomen op nanoschaalniveau te zien en te manipuleren. Om dat te doen, begonnen zij te experimenteren met tunneling, een kwantumverschijnsel waarbij atomen ontsnappen aan het oppervlak van een vaste stof om een soort wolk te vormen die boven het oppervlak zweeft; wanneer een ander oppervlak nadert, overlapt de atomaire wolk en vindt een atomaire uitwisseling plaats.
Door een scherpe metalen geleidende punt over het oppervlak van een monster op een uiterst kleine afstand te manoeuvreren, ontdekten Binnig en Rohrer dat de hoeveelheid elektrische stroom die tussen de punt en het oppervlak vloeit, kon worden gemeten. Variaties in deze stroom konden informatie verschaffen over de inwendige structuur en het hoogte-reliëf van het oppervlak. En uit deze informatie zou men een driedimensionale atomaire-schaal kaart van het oppervlak van het monster kunnen bouwen.
In januari 1979 dienden Binnig en Rohrer hun eerste patentaanvraag in voor de STM. Spoedig daarna begonnen zij, met de hulp van mede-onderzoeker Christoph Gerber, met het ontwerp en de bouw van de microscoop zelf.
Tijdens de eerste paar maanden waarin zij aan de STM werkten, moesten de twee uitvinders een reeks aanpassingen aan hun oorspronkelijke ontwerp aanbrengen om nauwkeurig metingen op zo’n minuscule schaal te kunnen produceren. Deze veranderingen leidden tot verminderingen van trillingen en ruis; preciezere controle van de plaats en de beweging van de scantip; en verbeterde scherpte van de sondepunt zelf.
Hun eerste experiment betrof de oppervlaktestructuur van een kristal van goud. De resulterende beelden toonden rijen van precies op elkaar geplaatste atomen en brede terrassen gescheiden door stappen van één atoom hoog. “Ik kon niet stoppen met kijken naar de beelden”, zei Binnig in zijn Nobellezing over die eerste experimenten. “
Meer verfijningen aan de microscoop verbeterden de precisie van het mechanische ontwerp en resulteerden in steeds duidelijkere beelden. En al snel begon het belang van de uitvinding van Binnig en Rohrer wetenschappers over de hele wereld te bereiken, die plotseling voor het eerst toegang hadden tot de nanoschaalwereld van individuele atomen en moleculen.
Omdat de STM ook kon worden gebruikt om individuele atomen rond te duwen en te trekken, betekende het ook de eerste keer dat mensen objecten zo klein konden manipuleren.
Bij het toekennen van de Nobelprijs voor Natuurkunde aan Binnig en Rohrer, slechts vijf jaar nadat de eerste STM was gebouwd, zei het Nobelcomité dat de uitvinding “geheel nieuwe gebieden” had geopend “voor de studie van de structuur van de materie”.
Binnig en Rohrer’s baanbrekende uitvinding was het startpunt voor onderzoek op het gebied van nanotechnologie – een gebied dat IBM later als pionier zou gaan gebruiken. En vanwege zijn hoge resolutie beeldvormingsvermogen en brede toepasbaarheid, heeft de STM belangrijke toepassingen gevonden op het gebied van natuurkunde, scheikunde, techniek en materiaalkunde.
De atomaire-krachtmicroscoop (AFM), een afstammeling van de STM die werd ontwikkeld door Binnig in 1986, startte een nieuw gebied van microscopie door het mogelijk te maken om materialen af te beelden die niet elektrisch geleidend waren. Naast de AFM gaf de scanning tunneling microscoop van Binnig en Rohrer aanleiding tot een hele familie van verwante instrumenten en technieken die een revolutie hebben teweeggebracht in ons vermogen om oppervlakken en materialen te bekijken, te onderzoeken en te manipuleren die voorheen niet waarneembaar waren.