IBM의 1981년 터널링 현미경은 빛이 아닌 전류를 느껴 단일 원자를 보았다

1970년대 후반, 이미징은 한계에 부딪혔다. 광학 현미경은 대략 빛의 파장에서 멈추고, 1986년 노벨상의 절반을 에른스트 루스카에게 안겨준 전자 현미경조차 표면의 개별 원자를 분해할 수 없었다. IBM 취리히 연구소에서 초전도체 물리학자 게르트 비니히와 하인리히 로러는 바로 이 점에 답답해하고 있었다. 그들은 원자 표면을 연구하고 싶었지만, 그것을 들여다볼 기구가 존재하지 않았다.

답은 양자 터널링이었다. 전자는 날카로운 팁과 표면 사이의 진공 간극을 건너가고, 전류는 거리에 극도로 민감하다. 그들은 렌즈 대신 제어를 구축했다. 원자 하나 폭의 텅스텐 팁, 옹스트롬 단위로 팁을 이동시키는 압전 스캐너, 전류를 일정하게 유지하는 피드백, 그리고 진동 격리였다. 스캐너의 보정값이 원자 하나하나 단위의 표면 지형도가 되었다. 비니히는 1979년 1월에 첫 특허 공개를 출원했고, 크리스토프 게르버와 함께 27개월간 개발한 끝에 기구는 작동하여 1981년 3월 16일 금 결정을 이미징했다.

해상도는 비할 데 없었다. 100옹스트롬 제곱의 지형이 원자 하나하나 단위로 렌더링되었고, 그 영향은 즉각적이었으며 특히 반도체 분야에서 그러했다. 표면에 대한 원자 수준의 지식이 칩 소형화를 뒷받침했기 때문이다. 1990년 IBM의 도널드 아이글러와 에르하르트 슈바이처는 STM을 사용해 제논 원자를 하나씩 배치하여 "IBM"을 썼고, 이 시연은 나노기술을 신뢰할 수 있게 만들었다. 노벨 위원회는 1986년 물리학상의 절반을 비니히와 로러에게 수여하며, 그들의 주사 터널링 현미경 설계가 "물질의 구조 연구를 위한 완전히 새로운 분야"를 열었다고 언급했다.

렌즈 없음: 터널링 전류의 급격한 감쇠를 통해 원자를 느낀다

터널링 전류의 지수적 거리 의존성은 옹스트롬 이하의 높이 차이를 측정 가능한 전류 변화로 변환하므로, 민감도는 값비싼 광학이 아니라 물리학에서 나온다.

팁은 표면 전체를 한 번에 볼 필요가 없다. 스캔과 피드백이 이미지를 점별로 조립하므로, 원자 초점 렌즈의 필요성을 우회한다.

IBM의 연구소는 입증되지 않은 물리학에 대한 2년간의 비공식 프로젝트를 용인했고, 그 성과는 원자 표면 지식이 직접적으로 가치 있는 회사의 핵심 반도체 사업을 활용했다.

그들은 국립 표준국에서 러셀 영의 초기 토포그라피너 작업을 기반으로 했지만, 개념이 아니라 그의 약점인 진동, 드리프트, 팁 제어를 공략했다.

당신의 도구가 필요한 규모에 도달할 수 없을 때, 도달할 수 있는 대리물을 찾아라. 터널링은 교과서 물리학이었다. 그 지수적 민감성을 해상도로 읽어냄으로써 호기심을 기구로 바꾸었다.

STM은 나노기술을 하나의 학문 분야로 열었다. 반도체, 분자 생물학, 재료 연구소에 원자 표면을 직접 볼 수 있는 시야를 제공했고, 이후 개별 원자 조작을 가능하게 했다. 그 후손인 원자 힘 현미경 계열은 이제 전도하지 않는 표면을 탐침한다. IBM은 2011년 뤼슐리콘에 비니히와 로러 나노기술 센터를 열었고, 1981년 3월의 어느 밤에 촬영된 이 기구의 첫 이미지들은 이 분야의 창립 유물이다.