IBMs Rastertunnelmikroskop von 1981 sah einzelne Atome, indem es Strom fühlte, nicht Licht

Ende der 1970er Jahre war die Bildgebung an eine Grenze gestoßen. Optische Mikroskope enden bei etwa der Wellenlänge des Lichts, und selbst Elektronenmikroskope – die Ernst Ruska die Hälfte des Nobelpreises 1986 eingebracht hatten – konnten einzelne Atome auf einer Oberfläche nicht auflösen. Am Zürcher Forschungslabor von IBM waren die Supraleitungsphysiker Gerd Binnig und Heinrich Rohrer genau darüber frustriert: Sie wollten atomare Oberflächen untersuchen, und es gab kein Instrument, mit dem man eine betrachten konnte.

Die Antwort war Quantentunneln: Elektronen überqueren einen Vakuumspalt zwischen einer scharfen Spitze und einer Oberfläche, und der Strom reagiert außerordentlich empfindlich auf den Abstand. Statt einer Linse bauten sie eine Steuerung: eine Wolframspitze von der Breite eines Atoms, piezoelektrische Scanner, die sie in Ångström-Schritten voranbewegten, eine Rückkopplung, die den Strom konstant hielt, und Schwingungsisolierung. Die Korrekturen des Scanners wurden zu einem Topographen der Oberfläche, Atom für Atom. Binnig reichte im Januar 1979 die erste Patentanmeldung ein; nach 27 Monaten Entwicklung mit Christoph Gerber funktionierte das Instrument und bildete am 16. März 1981 einen Goldkristall ab.

Die Auflösung war unübertroffen – eine 100 Ångström große quadratische Landschaft, Atom für Atom wiedergegeben – und die Wirkung unmittelbar, vor allem in der Halbleitertechnik, wo atomgenaues Wissen über Oberflächen die Chip-Miniaturisierung untermauerte. 1990 nutzten Donald Eigler und Erhard Schweizer von IBM ein STM, um Xenon-Atome einzeln so zu positionieren, dass sie „IBM“ buchstabierten – eine Demonstration, die die Nanotechnologie glaubwürdig machte. Das Nobelkomitee verlieh Binnig und Rohrer die Hälfte des Physikpreises 1986 und nannte als Begründung ihre Konstruktion des Rastertunnelmikroskops, das „völlig neue Felder ... für die Untersuchung der Struktur der Materie“ eröffnete.

Keine Linse: Atome über den steilen Abfall des Tunnelstroms fühlen

Die exponentielle Abstandsabhängigkeit des Tunnelstroms verwandelt Höhenunterschiede im Sub-Ångström-Bereich in messbare Stromänderungen, sodass die Empfindlichkeit aus der Physik statt aus teurer Optik kommt.

Die Spitze muss nicht die gesamte Oberfläche auf einmal sehen; Abtasten plus Rückkopplung setzen das Bild Punkt für Punkt zusammen, was die Notwendigkeit einer atomfokussierenden Linse umgeht.

Das Forschungslabor von IBM duldete zwei Jahre lang eine Skunkworks-Arbeit an unerprobter Physik, und der Nutzen stützte sich auf das Kerngeschäft des Unternehmens mit Halbleitern, wo atomares Oberflächenwissen direkt wertvoll war.

Sie bauten auf Russell Youngs früherer Arbeit am Topografiner am National Bureau of Standards auf, griffen aber seine Schwachpunkte an – Vibration, Drift und Spitzenkontrolle – statt das Konzept.

Wenn Ihr Werkzeug den benötigten Maßstab nicht erreichen kann, finden Sie den Stellvertreter, der es kann. Tunneln war Lehrbuchphysik; seine exponentielle Empfindlichkeit als Auflösung zu lesen machte aus einer Kuriosität ein Instrument.

Das STM eröffnete die Nanotechnologie als Disziplin: Es gab Halbleiter-, Molekularbiologie- und Materiallaboren einen direkten Blick auf atomare Oberflächen und ermöglichte später die Manipulation einzelner Atome. Seine Nachfahren – die Familie der Rasterkraftmikroskope – untersuchen heute Oberflächen, die nicht leiten. IBM eröffnete 2011 das Binnig and Rohrer Nanotechnology Center in Rüschlikon, und die ersten Bilder des Instruments, aufgenommen in einer Märznacht 1981, sind ein Gründungsartefakt des Feldes.