IBMの1981年のトンネル顕微鏡は光ではなく電流を感じて単一原子を見た

1970年代後半までに、イメージングは壁に突き当たっていた。光学顕微鏡はおよそ光の波長で限界となり、1986年ノーベル賞の半分をエルンスト・ルスカにもたらした電子顕微鏡でさえ、表面上の個々の原子を分解することはできなかった。IBMチューリッヒ研究所で、超伝導物理学者のゲルト・ビニッヒとハインリヒ・ローラーはまさにこのことに苛立っていた。彼らは原子表面を研究したかったが、それを観察できる装置は存在しなかった。

答えは量子トンネル効果だった。電子は鋭い探針と表面の間の真空ギャップを横切り、その電流は距離に極めて敏感である。レンズの代わりに彼らは制御を構築した。1原子幅のタングステン探針、それをオングストローム単位で進める圧電スキャナー、電流を一定に保つフィードバック、そして振動絶縁である。スキャナーの補正が表面のトポグラフを原子一つ一つとして描き出した。ビニッヒは1979年1月に最初の特許開示を提出し、クリストフ・ゲルバーとの27か月の開発の末、装置は動作し、1981年3月16日に金の結晶を撮像した。

その分解能は比類がなく、100オングストローム四方の風景が原子一つ一つとして描き出された。その影響は即座に現れ、とりわけ半導体において、表面に関する原子レベルの知識がチップの微細化を支えた。1990年、IBMのドナルド・アイグラーとエアハルト・シュヴァイツァーはSTMを用いてキセノン原子を一つずつ配置して「IBM」と綴り、この実演によってナノテクノロジーは信頼に足るものとなった。ノーベル委員会はビニッヒとローラーに1986年物理学賞の半分を授与し、走査型トンネル顕微鏡の設計により「物質の構造の研究のための全く新しい分野」を開いたことを挙げた。

レンズなし：トンネル電流の急峻な減衰を通じて原子を感じる

トンネル電流の指数関数的な距離依存性は、サブオングストロームの高さの差を測定可能な電流変化に変換するため、感度は高価な光学系ではなく物理から生まれる。

探針は表面全体を一度に見る必要はない。走査とフィードバックが画像を点ごとに組み立てるため、原子を集束させるレンズの必要性を回避する。

IBMの研究所は未実証の物理に関する2年間の秘密プロジェクトを許容し、その見返りは原子表面の知識が直接的に価値を持つ同社の中核半導体事業を活用した。

彼らは国立標準局におけるラッセル・ヤングの初期のトポグラフィナー研究の上に築いたが、概念ではなく彼の弱点、すなわち振動、ドリフト、探針制御に取り組んだ。

あなたの道具が必要なスケールに届かないときは、届く代理を見つけよ。トンネル効果は教科書通りの物理だった。その指数関数的な感度を分解能として読むことで、好奇心の対象が装置へと変わった。

STMはナノテクノロジーを学問分野として開いた。半導体、分子生物学、材料の研究室に原子表面の直接的な視野を与え、後に個々の原子の操作を可能にした。その子孫である原子間力顕微鏡の一族は現在、導電性のない表面を探査する。IBMは2011年にリュシュリコンにビニッヒ・アンド・ローラー・ナノテクノロジー・センターを開設し、1981年3月の夜に撮影されたこの装置の最初の画像は、この分野の創設の遺物である。