Heinrich Rohrer, el suís que va inventar el microscopi de Feynman

Tal dia com avui de fa justament cinc anys, el 16 de maig del 2013, va morir una persona clau en la història de la nanotecnologia: el físic suís Heinrich Rohrer, que, juntament amb Gerd Binnig, va ser l'inventor del microscopi d'efecte túnel el 1981, un microscopi que va obrir les portes al desenvolupament de la nanotecnologia i va donar la raó al protagonista de la meva anterior sèrie de post, Richard Feynman, i a la seva conferència There is plenty of room at the bottom, ja que per primera vegada teníem un instrument capaç de mirar i manipular la matèria a escala atòmica: el microscopi de Feynman. Pel disseny del primer microscopi d'exploració d'efecte túnel (STM) van ser guardonats amb el premi Nobel de física el 1986, premi que van compartir amb Ernst Ruska, inventor del microscopi electrònic.

Rohrer, una persona clau en la història de la nanotecnologia

Rohrer va néixer el 1933, mitja hora després que la seva germana bessona. Va créixer al poble de Buchs, a l'est de Suïssa. En aquest entorn, era lògic que s'interessés per aspectes més relacionats amb la natura, i primer es va preocupar per l'estudi de les ciències naturals. Malgrat això, un cop va ingressar a l'Institut de Tecnologia Federal Suís (ETH), va decidir que la seva formació acadèmica superior s'orientaria al camp de la física. Va ser una decisió fàcil, tenint en compte alguns dels noms dels seus professors, com Wolfgang Ernst Pauli, Paul Scherrere o G. Busch. La seva tesi doctoral, iniciada el 1955, es va centrar a mesurar la longitud d'ona dels superconductors, i el seu postdoc el va continuar a l'ETH complementat amb un de nou a la Universitat de Rutgers (Nova Jersey).

Al seu retorn a Europa, es va incorporar, al Research Laboratory de l'empresa IBM, emplaçat a Rüschlikon (Zürich), on, entre molts altres treballs, va estudiar a fons els materials Kondo i els elements magnètics. Aquí va començar a col·laborar amb el físic alemany Gerd Binnig, i, a partir de l'interès per entendre les propietats superconductores de certs tipus d'òxids metàl·lics i de la seva estructura superficial, cosa bastant complexa a causa de la poca informació que els donava la microscòpia en aquell moment, van començar a buscar alguna eina que els ajudés en aquells estudis. Aquesta eina va ser el STM, que va ser rebut amb cert escepticisme per la comunitat científica, ja que de manera totalment trencadora no utilitzava lents i, a més, es basava en un complex efecte quàntic.

Els resultats inicials de Rohrer i Binnig van ser finalment verificats per altres grups i presentats en un taller sobre el STM als Alps austríacs el 1985. Es tractava de dispositius com el microscopi de força atòmica (AFM), un tipus de microscopi d'escaneig de molt alta resolució que mesura les forces atòmiques entre la punta d'una sonda i la superfície que s'escaneja -tenen les seves arrels en aquesta reunió-. Durant l'última nit del taller, les muntanyes es van omplir d'idees boges sobre com es podrien usar tals microscopis en aplicacions a tot tipus de camps, des de física i química fonamentals fins a tecnologia de la informació, informàtica quàntica i electrònica molecular, així com en ciències de la vida. L'escepticisme inicial es va convertir en clamor quan les evidències van ser aclaparadores, la comunitat rebia amb entusiasme un microscopi revolucionari cridat a marcar una època. Un any després obtindria el Nobel de física.

Després de l'obtenció del Nobel, va arribar a director del departament de física de la IBM a Zuric. Va realitzar, a partir de llavors, brillants treballs de recerca sobre els materials antiferromagnètics, al mateix temps que en aquest centre i en altres delegacions de la IBM se seguien realitzant, sempre sota la supervisió del científic suís, importants tasques de recerca en el camp de la nanotecnologia i de la microscòpia electrònica. Finalment, el 1997 va deixar la companyia IBM i es va jubilar de qualsevol activitat investigadora per retirar-se a la seva llar i consagrar-se de ple a la seva família. Va morir per causes naturals el 16 de maig del 2013, a punt de complir els 80 anys.

El microscopi d'efecte túnel: la màquina de Feynman

El 1932, l'altre guanyador del Nobel de física del 1986, Ernst Ruska, havia inventat el primer microscopi electrònic. Era un microscopi també revolucionari que permetia obtenir una resolució 1.000 vegades superior als microscopis òptics però que era insuficient per veure àtoms i partícules subatòmiques. Per poder superar aquest hàndicap, calia treballar amb longituds d'ona molt més reduïdes que les tradicionalment s'atribuïen a l'electró. Rohrer i Binnig van estudiar i aprofitar un efecte lligat a la mecànica quàntica, l'efecte túnel on certs electrons poden travessar barreres d'energia de potencial estretes, en forma de paret, com si es desplacessin a través d'un túnel.

L'efecte túnel: quan la física clàssica no ens és útil

Gràcies a aquest efecte, una partícula quàntica (un electró, per exemple) pot travessar una barrera de potencial d'energia superior a la de la mateixa partícula. És un fenomen nanoscòpic on una partícula viola els principis de la mecànica clàssica en penetrar una barrera o impedància amb un potencial superior a l'energia cinètica de la partícula. El túnel d'electrons s'aconsegueix quan una partícula amb menor energia pot existir en l'altre costat d'una barrera d'energia amb major energia potencial. Els electrons exhibeixen el comportament d'ona i la seva posició és representada per una funció d'ona (probabilitat). La funció d'ona representa una probabilitat finita de trobar un electró en l'altre costat d'una barrera de potencial. Com que l'electró no té prou energia cinètica per superar la barrera potencial, l'única manera en què l'electró pot aparèixer a l'altre costat és fent un túnel a través de la barrera. És a dir, l'electró és capaç de travessar o penetrar en una regió clàssicament prohibida.

La practicitat de l'efecte túnel: el microscopi STM

Aquest efecte és fonamental per al funcionament del microscopi STM o d'efecte túnel, instrument clau en el desenvolupament de la nanotecnologia i en els primers passos que van portar a la manipulació atòmica, fet, per una altra banda que es va aconseguir 10 anys després a les mateixes instal·lacions d'IBM quan Don Eigler i Eric Schweizer van aconseguir escriure el nom de la seva empresa (IBM) manipulant 35 àtoms de xenó en una superfície amb l'ús d'una versió millorada de l'STM.

L'STM és un sofisticat instrument de laboratori constituït per dos elèctrodes entre els quals s'aplica una tensió elèctrica: un d'aquests elèctrodes és una punta conductora mòbil i finíssima, composta de pocs àtoms; l'altre elèctrode està format per la superfície que es desitja analitzar. Aquesta sonda afilada que es mou a prop de la superfície d'un material conductor, com el silici o l'or, permet que les funcions d'ona dels àtoms a la punta se superposin amb les dels àtoms de la superfície conductora analitzada, com si fossin dos núvols superposats d'electrons. Quan apliquem un voltatge a la punta, els electrons comencen a "tunelejar" a través de l'espai buit, fet que genera un corrent des del primer àtom de la punta cap als de la superfície.de la mostra analitzada, sense que ambdós estiguin en contacte. Això va permetre tenir corrents molt més grans i, per tant, resolucions molt més grans, i es van poder arribar a "veure" àtoms. Durant el funcionament del microscopi, el desplaçament de l'elèctrode conformat per la punta mòbil va descrivint una espècie d'escombratge sobre la superfície analitzada, del qual s'obté una trama de línies que acaba conformant la imatge de la forma d'aquesta superfície. La punta es mou escanejant la superficie, estenent-se i retraient-se sobre salts i depressions. Per tant, per primera vegada, va ser possible obtenir i "veure" els àtoms en tres dimensions.

Per a un STM, es considera que una bona resolució és 0,1 nanòmetres (nm) de resolució lateral i 0,01 de resolució de profunditat. Amb aquesta resolució, els àtoms individuals són observats amb certa facilitat i, al seu torn, poden ser manipulats. L'STM pot ser usat en buit ultraalt, en aire, aigua i diversos altres líquids o gasos, i a temperatures que abasten un rang que va des de gairebé zero kelvins fins a uns pocs centenars de graus Celsius.

STM i família: el desenvolupament de les tècniques de sonda propera (SPM)

L'STM, a part de la seva potencialitat per donar una gran informació en la disposició i estructura dels àtoms en una gran varietat de superfícies metàl·liques i semiconductores, va obrir les portes al desenvolupament dels microscopis SPM; cal destacar per sobre de tots el microscopi inventat també a suïssa i IBM per part de Binnig, Christoph Gerber i Calvin Quate, el microscopi de forces atòmiques, que, a part de superfícies conductores, també permetia mesurar superfícies aïllants. 

Aquestes tècniques estan dominant la nostra manera d'aproximar-nos a l'estudi de les propietats mecàniques, físiques i químiques de nanopartícules, molècules i tot tipus de sistemes, especialment els biològics, que fins a l'arribada d'aquest tipus de microscopis eren difícils d'analitzar a aquestes petites escales. Però la seva influència s'estén més enllà del camp de la microscòpia, ja que obren la via a noves maneres de manipular àtoms i molècules, i, amb això, de fabricar dispositius a escala nanomètrica i superar el somni de Feynman per convertir així la nanotecnologia en una nova revolució industrial.