O microscópio de tunelamento da IBM de 1981 via átomos individuais sentindo a corrente, não a luz

No final da década de 1970, o imageamento havia atingido um limite. Os microscópios ópticos param aproximadamente no comprimento de onda da luz, e mesmo os microscópios eletrônicos — que haviam rendido a Ernst Ruska metade do Nobel de 1986 — não conseguiam resolver átomos individuais em uma superfície. No Laboratório de Pesquisa da IBM em Zurique, os físicos de supercondutividade Gerd Binnig e Heinrich Rohrer estavam frustrados exatamente com isso: queriam estudar superfícies atômicas, e não existia instrumento para observar uma.

A resposta foi o tunelamento quântico: elétrons atravessam um vão de vácuo entre uma ponta afiada e uma superfície, e a corrente é extraordinariamente sensível à distância. Em vez de uma lente, eles construíram o controle: uma ponta de tungstênio com um átomo de largura, scanners piezoelétricos que a deslocavam em passos de angströms, realimentação mantendo a corrente constante e isolamento de vibrações. As correções do scanner tornaram-se uma topografia da superfície, átomo por átomo. Binnig depositou a primeira divulgação de patente em janeiro de 1979; após 27 meses de desenvolvimento com Christoph Gerber, o instrumento funcionou, imageando um cristal de ouro em 16 de março de 1981.

A resolução foi insuperável — uma paisagem de 100 angströms quadrados renderizada átomo por átomo — e o impacto foi imediato, sobretudo nos semicondutores, onde o conhecimento das superfícies em nível atômico sustentava a miniaturização dos chips. Em 1990, Donald Eigler e Erhard Schweizer, da IBM, usaram um STM para posicionar átomos de xenônio um a um e escrever "IBM", uma demonstração que tornou a nanotecnologia crível. O Comitê Nobel concedeu a Binnig e Rohrer metade do prêmio de física de 1986, citando seu projeto do microscópio de tunelamento por varredura por abrir "campos inteiramente novos ... para o estudo da estrutura da matéria".

Sem lente: sentir os átomos por meio do decaimento acentuado da corrente de tunelamento

A dependência exponencial da corrente de tunelamento em relação à distância converte diferenças de altura abaixo de um angström em variações mensuráveis de corrente, de modo que a sensibilidade vem da física e não de óptica cara.

A ponta não precisa ver a superfície inteira de uma vez; a varredura mais a realimentação montam a imagem ponto a ponto, o que contorna a necessidade de qualquer lente de focalização atômica.

O laboratório de pesquisa da IBM tolerou dois anos de um projeto paralelo sobre física não comprovada, e o retorno alavancou o negócio central de semicondutores da empresa, onde o conhecimento atômico das superfícies era diretamente valioso.

Eles se basearam no trabalho anterior de Russell Young com o topografiner no National Bureau of Standards, mas atacaram seus pontos fracos — vibração, deriva e controle da ponta — em vez do conceito.

Quando sua ferramenta não alcança a escala de que você precisa, encontre o substituto que consegue. O tunelamento era física de livro-texto; ler sua sensibilidade exponencial como resolução transformou uma curiosidade em instrumento.

O STM abriu a nanotecnologia como disciplina: deu aos laboratórios de semicondutores, biologia molecular e materiais uma visão direta das superfícies atômicas e, mais tarde, permitiu manipular átomos individuais. Seus descendentes — a família dos microscópios de força atômica — hoje sondam superfícies que não conduzem. A IBM inaugurou o Centro de Nanotecnologia Binnig e Rohrer em Rüschlikon em 2011, e as primeiras imagens do instrumento, obtidas numa noite de março de 1981, são um artefato fundador do campo.