IBM 1981年的隧道显微镜通过感知电流而非光线来观察单个原子

到20世纪70年代末，成像技术已陷入瓶颈。光学显微镜的分辨率止步于大致光波长，即便是电子显微镜——它为恩斯特·鲁斯卡赢得了1986年诺贝尔奖的一半——也无法分辨表面上的单个原子。在IBM苏黎世研究实验室，超导物理学家格尔德·宾尼希和海因里希·罗雷尔正为此苦恼：他们想研究原子表面，却没有任何仪器能观察这样的表面。

答案就是量子隧穿：电子穿过尖锐针尖与表面之间的真空隙，而电流对距离极其敏感。他们不用透镜，而是构建了控制系统：一个单原子宽的钨针尖、以埃为单位步进的压电扫描器、保持电流恒定的反馈，以及隔振装置。扫描器的校正量转化为表面的形貌图，逐原子呈现。宾尼希于1979年1月提交了第一份专利申请；经过与克里斯托夫·格贝尔27个月的开发，仪器于1981年3月16日成功运行，对一块金晶体进行了成像。

其分辨率无与伦比——一幅100埃见方的景观被逐原子呈现——影响也立竿见影，尤其是在半导体领域，原子层面的表面知识支撑着芯片微型化。1990年，IBM的唐纳德·艾格勒和埃尔哈德·施韦泽用一台STM逐个移动氙原子，拼出了“IBM”字样，这一演示让纳米技术变得可信。诺贝尔委员会将1986年物理学奖的一半授予宾尼希和罗雷尔，表彰他们设计出扫描隧道显微镜，开辟了“全新的领域……用于研究物质结构”。

无需透镜：通过隧道电流的急剧衰减来感知原子

隧道电流对距离的指数依赖关系，将亚埃级的高度差转化为可测量的电流变化，因此灵敏度来自物理原理而非昂贵的光学器件。

针尖无需一次看到整个表面；扫描加反馈逐点拼出图像，从而绕开了对任何原子聚焦透镜的需求。

IBM的研究实验室容忍了一个为期两年、基于未经证实物理原理的“臭鼬工厂”项目，而其回报又借力于公司核心的半导体业务——在那里，原子层面的表面知识具有直接价值。

他们建立在拉塞尔·扬早先在美国国家标准局研制的topografiner工作之上，但针对的是其弱点——振动、漂移和针尖控制——而非其概念。

当你的工具无法达到所需的尺度时，去寻找能够达到的替代手段。隧穿是教科书上的物理；把它的指数灵敏度解读为分辨率，便将一件奇趣之物变成了仪器。

STM将纳米技术开创为一门学科：它为半导体、分子生物学和材料实验室提供了直接观察原子表面的手段，后来又使操纵单个原子成为可能。它的后代——原子力显微镜家族——如今可探测不导电的表面。IBM于2011年在吕施利孔开设了宾尼希和罗雷尔纳米技术中心，而该仪器于1981年3月的一个夜晚拍摄的最初图像，已成为该领域的奠基性文物。