El microscopio de efecto túnel de IBM de 1981 veía átomos individuales sintiendo la corriente, no la luz

A finales de la década de 1970, las técnicas de imagen habían llegado a un límite. Los microscopios ópticos se detienen aproximadamente en la longitud de onda de la luz, y ni siquiera los microscopios electrónicos —que le habían valido a Ernst Ruska la mitad del Nobel de 1986— podían resolver átomos individuales en una superficie. En el Laboratorio de Investigación de IBM en Zúrich, los físicos de superconductividad Gerd Binnig y Heinrich Rohrer estaban frustrados precisamente por esto: querían estudiar superficies atómicas y no existía ningún instrumento para observar una.

La respuesta fue el efecto túnel cuántico: los electrones cruzan un hueco de vacío entre una punta afilada y una superficie, y la corriente es extraordinariamente sensible a la distancia. En lugar de una lente construyeron un control: una punta de tungsteno de un átomo de ancho, escáneres piezoeléctricos que la desplazan por angstroms, una realimentación que mantiene constante la corriente y un aislamiento de vibraciones. Las correcciones del escáner se convertían en una topografía de la superficie, átomo a átomo. Binnig presentó la primera solicitud de patente en enero de 1979; tras 27 meses de desarrollo con Christoph Gerber, el instrumento funcionó, obteniendo imágenes de un cristal de oro el 16 de marzo de 1981.

La resolución era insuperable —un paisaje de 100 angstroms de lado representado átomo a átomo— y el impacto fue inmediato, sobre todo en los semiconductores, donde el conocimiento de las superficies a nivel atómico sustentaba la miniaturización de los chips. En 1990, Donald Eigler y Erhard Schweizer, de IBM, utilizaron un STM para posicionar átomos de xenón uno a uno y escribir «IBM», una demostración que hizo creíble la nanotecnología. El Comité Nobel otorgó a Binnig y Rohrer la mitad del premio de física de 1986, citando su diseño del microscopio de efecto túnel de barrido por abrir «campos completamente nuevos ... para el estudio de la estructura de la materia».

Sin lente: sentir los átomos mediante la brusca caída de la corriente de efecto túnel

La dependencia exponencial de la corriente de efecto túnel con la distancia convierte diferencias de altura inferiores a un angstrom en cambios de corriente medibles, de modo que la sensibilidad proviene de la física y no de una óptica costosa.

La punta no necesita ver toda la superficie a la vez; el barrido junto con la realimentación ensambla la imagen punto por punto, lo que evita la necesidad de cualquier lente que enfoque átomos.

El laboratorio de investigación de IBM toleró dos años de un proyecto secreto sobre física no demostrada, y el beneficio aprovechó el negocio central de semiconductores de la empresa, donde el conocimiento de las superficies a nivel atómico era directamente valioso.

Se basaron en el trabajo anterior del topografinador de Russell Young en el National Bureau of Standards, pero atacaron sus puntos débiles —vibración, deriva y control de la punta— en lugar del concepto.

Cuando tu herramienta no alcanza la escala que necesitas, encuentra el sustituto que sí pueda. El efecto túnel era física de manual; interpretar su sensibilidad exponencial como resolución convirtió una curiosidad en un instrumento.

El STM abrió la nanotecnología como disciplina: dio a los laboratorios de semiconductores, biología molecular y materiales una visión directa de las superficies atómicas, y más tarde permitió manipular átomos individuales. Sus descendientes —la familia de microscopios de fuerza atómica— ahora sondean superficies que no conducen. IBM inauguró el Centro de Nanotecnología Binnig y Rohrer en Rüschlikon en 2011, y las primeras imágenes del instrumento, tomadas una noche de marzo de 1981, son un artefacto fundacional del campo.