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在量子力學中，粒子可以從它們的束縛中逃逸，即使有勢壘阻擋，透過一個稱為隧穿的過程。隧穿不僅僅是量子奇觀——例如，隧穿電子被掃描隧道顯微鏡利用，以在最小的尺度上進行觀察。這些探針可以透過檢測電子從表面穿過一個小間隙隧穿到顯微鏡的微小掃描尖端，從而在原子水平上成像表面。
本週《科學》雜誌上的一篇論文為隧穿增加了新的深度，展示了電子如何容易地從分子中的多個軌道隧穿出來。“直到最近，每個人都會認為只有最容易獲得的電子才能隧穿，”渥太華大學物理學家、加拿大國家研究委員會阿秒科學主任研究合著者保羅·科克姆說。過去幾年的系列研究論文已經開始修正這種想法，表明較低的軌道也參與其中。
在新的研究中，科克姆和他的同事觀察到電子從受到雷射脈衝的氯化氫 (HCl) 分子中隧穿出來，並將電子追溯到它們的母體軌道。“您會認為最高的軌道，只需要稍微穿過經典允許的勢壘，就會有巨大的優勢，而[下一個]較低的軌道，需要大量穿過勢壘，則會被高度抑制，”科克姆說。但該團隊發現，次高軌道對總隧穿電流貢獻了可測量的量。
去年年底，兩個研究小組在《科學》雜誌上發表了論文，展示瞭如何使用強雷射脈衝不僅可以從最高分子軌道釋放電子，還可以從下一個較低的軌道釋放電子。斯坦福大學化學物理學家馬庫斯·居爾，在加利福尼亞州門洛帕克的 SLAC 國家加速器實驗室，與人合著了其中一篇論文，目的是即時檢查分子過程。
“我們這個領域的普遍願景是，我們想要研究化學，”沒有參與這項新研究的居爾說。探測電子形成和破壞原子之間鍵的方式對於在基本層面上追蹤化學的運作至關重要。“我對電子的敏感性確實是一個新的關鍵步驟，我想說，”居爾補充道。
在 2008 年的工作中，居爾小組研究了氮氣中的電子隧穿。“氮分子具有這兩個軌道......非常接近的優勢，”居爾說。他補充說，在科克姆小組探測的氯化氫分子中，軌道之間的距離要遠得多，這使得來自較低軌道的隧穿貢獻更加顯著。
氯化氫分子成為這種隧穿實驗的方便測試平臺。當電子從氯化氫的最高軌道剝離時，離子（分子的帶電版本）得以倖存。但是，下一個較低軌道中的電子負責分子原子之間的鍵，因此當電子從該軌道隧穿時，HCl 分子會分裂。這種碎片化是較低水平隧穿的一個特徵。
除了在一種不太容易進行低軌道隧穿的分子中證明了低軌道隧穿外，科克姆小組還能夠展示它發生的頻率。“我想說，在我們[去年]提出的證據以及其他小組提出的證據中，很明顯[較低水平的軌道]在隧道電離中肯定有貢獻，”居爾說。“但尚不清楚定量到何種程度。”居爾補充說，科克姆小組已經邁出了下一步，直接量化較低軌道的貢獻——在本實驗中，較低的軌道貢獻了總隧穿電流的 0.2%。
科克姆指出，從較低軌道而不是較高軌道獲取電子在指數上更困難，但並非理論上禁止的。因此，儘管新的結果乍一看令人驚訝，但從物理學的角度來看，它們是有道理的。“我想說我們的偏見是錯誤的，而不是理論本身，”科克姆說。