Ingen annan uppfinning före den gjorde det möjligt för Binnig och Rohrer att visualisera världen ända ner till dess molekyler och atomer. STM fick Nobelpriset i fysik 1986 och anses allmänt vara det instrument som öppnade dörren till nanoteknik och ett brett spektrum av undersökningar inom så skilda områden som elektrokemi, halvledarforskning och molekylärbiologi.
StMM växte fram ur ett samarbete mellan två forskare som ville tänja på gränserna för upptäckter. Binnig och Rohrer arbetade tillsammans vid IBM:s forskningslaboratorium i Zürich i slutet av 1970-talet. Binnig och Rohrer hade båda en bakgrund inom supraledning och var fascinerade av studiet av atomära ytor – ett ämne med extrem komplexitet och ett ämne som förbryllade forskarna på grund av ytornas distinkta egenskaper. Men de begränsades i sina utforskningar av de befintliga verktygen. Ingen befintlig teknik gjorde det möjligt för forskarna att direkt utforska en ytas elektroniska struktur och imperfektioner.
Ett vanligt mikroskop, som använder optiska linser, kan se objekt som är mindre än ljusets våglängd. Ett elektronmikroskop kunde se mindre saker med större tydlighet än ett optiskt mikroskop, men kunde fortfarande inte tydligt se enskilda atomer.
Så Binnig och Rohrer bestämde sig för att bygga ett eget instrument – något nytt som skulle kunna se och manipulera atomer på nanoskalenivå. För att göra det började de experimentera med tunnling, ett kvantfenomen där atomer flyr från ytan av ett fast ämne för att bilda ett slags moln som svävar ovanför ytan; när en annan yta närmar sig, överlappar dess atommoln och ett atomutbyte sker.
Om att manövrera en vass ledande metallspets över ytan av ett prov på ett extremt litet avstånd fann Binnig och Rohrer att mängden elektrisk ström som flödar mellan spetsen och ytan kunde mätas. Variationer i denna ström kunde ge information om ytans inre struktur och höjdrelief. Och utifrån denna information skulle man kunna bygga upp en tredimensionell atomskalig karta över provets yta.
I januari 1979 lämnade Binnig och Rohrer in sin första patentredovisning om STM. Kort därefter påbörjade de med hjälp av forskarkollegan Christoph Gerber utformningen och konstruktionen av själva mikroskopet.
Under de första månaderna av arbetet med STM var de två uppfinnarna tvungna att göra en rad justeringar av sin ursprungliga konstruktion för att kunna åstadkomma noggranna mätningar på en så liten skala. Dessa ändringar ledde till minskningar av vibrationer och buller, mer exakt kontroll av skanningsspetsens placering och rörelse samt förbättrad skärpa hos själva sondspetsen.
I deras första experiment undersöktes ytstrukturen hos en guldkristall. De resulterande bilderna visade rader av atomer med exakt avstånd och breda terrasser som skiljdes åt av steg på en atoms höjd. ”Jag kunde inte sluta titta på bilderna”, sade Binnig i sin Nobelföreläsning om dessa första experiment. ”Det var som att gå in i en ny värld.”
Mer förfiningar av mikroskopet förbättrade precisionen i den mekaniska konstruktionen och resulterade i allt tydligare bilder. Och snart började betydelsen av Binnigs och Rohrers uppfinning nå ut till forskare över hela världen, som plötsligt för första gången hade tillgång till den nanoskala världen av enskilda atomer och molekyler.
Då STM:et också kunde användas för att skjuta och dra runt enskilda atomer markerade det också första gången som människor kunde manipulera så små objekt.
I samband med att Nobelkommittén tilldelade Binnig och Rohrer Nobelpriset i fysik bara fem år efter det att den första STM:n byggdes, sade Nobelkommittén att uppfinningen öppnade upp ”helt nya områden … för studiet av materiens struktur”.
Binnig och Rohrers banbrytande uppfinning var utgångspunkten för forskning inom nanoteknik – ett område som IBM fortsatte att vara pionjär inom. Och på grund av dess högupplösta avbildningsförmåga och breda användningsområde har STM hittat viktiga tillämpningar inom fysik, kemi, teknik och materialvetenskap.
Atomkraftmikroskopet (AFM), en avkomma till STM som utvecklades av Binnig 1986, startade ett nytt område inom mikroskopi genom att göra det möjligt att avbilda material som inte var elektriskt ledande. Förutom AFM gav Binnig och Rohrers skanningstunnelmikroskop upphov till en hel familj av relaterade instrument och tekniker som har revolutionerat vår förmåga att betrakta, utforska och manipulera ytor och material som tidigare inte var observerbara.