Le microscope à effet tunnel d'IBM de 1981 voyait les atomes un par un en ressentant le courant, pas la lumière

À la fin des années 1970, l'imagerie avait atteint un mur. Les microscopes optiques s'arrêtent à peu près à la longueur d'onde de la lumière, et même les microscopes électroniques — qui avaient valu à Ernst Ruska la moitié du prix Nobel de 1986 — ne pouvaient pas résoudre des atomes individuels sur une surface. Au Laboratoire de recherche d'IBM à Zurich, les physiciens de la supraconductivité Gerd Binnig et Heinrich Rohrer étaient précisément frustrés par cela : ils voulaient étudier des surfaces atomiques, et aucun instrument n'existait pour en observer une.

La réponse fut l'effet tunnel quantique : les électrons traversent un vide entre une pointe acérée et une surface, et le courant est extraordinairement sensible à la distance. Au lieu d'une lentille, ils construisirent un contrôle : une pointe de tungstène large d'un seul atome, des scanners piézoélectriques la déplaçant par angströms, une rétroaction maintenant le courant constant, et un isolement contre les vibrations. Les corrections du scanner devenaient une topographie de la surface, atome par atome. Binnig déposa la première divulgation de brevet en janvier 1979 ; après 27 mois de développement avec Christoph Gerber, l'instrument fonctionna, imageant un cristal d'or le 16 mars 1981.

La résolution était inégalée — un paysage de 100 angströms de côté rendu atome par atome — et l'impact immédiat, surtout dans les semi-conducteurs, où la connaissance des surfaces à l'échelle atomique sous-tendait la miniaturisation des puces. En 1990, Donald Eigler et Erhard Schweizer, d'IBM, utilisèrent un STM pour positionner des atomes de xénon un par un afin d'écrire « IBM », une démonstration qui rendit la nanotechnologie crédible. Le comité Nobel attribua à Binnig et Rohrer la moitié du prix de physique de 1986, citant leur conception du microscope à effet tunnel à balayage pour avoir ouvert « des domaines entièrement nouveaux ... pour l'étude de la structure de la matière ».

Pas de lentille : ressentir les atomes grâce à la décroissance abrupte du courant tunnel

La dépendance exponentielle du courant tunnel à la distance convertit des différences de hauteur inférieures à l'angström en variations de courant mesurables, de sorte que la sensibilité vient de la physique plutôt que d'une optique coûteuse.

La pointe n'a pas besoin de voir toute la surface d'un coup ; le balayage et la rétroaction assemblent l'image point par point, ce qui évite le besoin de toute lentille focalisant les atomes.

Le laboratoire de recherche d'IBM a toléré deux ans de travail en secret sur une physique non prouvée, et le bénéfice a tiré parti de l'activité centrale de l'entreprise dans les semi-conducteurs, où la connaissance des surfaces atomiques avait une valeur directe.

Ils s'appuyèrent sur les travaux antérieurs du topografiner de Russell Young au National Bureau of Standards, mais s'attaquèrent à ses points faibles — vibrations, dérive et contrôle de la pointe — plutôt qu'au concept.

Lorsque votre outil ne peut pas atteindre l'échelle dont vous avez besoin, trouvez le substitut qui le peut. L'effet tunnel était de la physique de manuel ; lire sa sensibilité exponentielle comme une résolution a transformé une curiosité en instrument.

Le STM a ouvert la nanotechnologie comme discipline : il a donné aux laboratoires de semi-conducteurs, de biologie moléculaire et de matériaux une vue directe des surfaces atomiques, et a ensuite permis de manipuler des atomes individuels. Ses descendants — la famille des microscopes à force atomique — sondent aujourd'hui des surfaces qui ne conduisent pas. IBM a ouvert le Centre de nanotechnologie Binnig et Rohrer à Rüschlikon en 2011, et les premières images de l'instrument, prises par une nuit de mars 1981, sont un artefact fondateur du domaine.