○傘狀的氨分子。| 圖片來源：Chelsea Turner/MIT然而，一種名叫隧穿效應的量子力學現象可以允許氨分子，以及其他一些分子同時處在由很高的能壘所隔開的幾何結構中。在物理學中，這指的是像電子等微觀粒子能夠穿越高度比粒子本身總能量更高的位勢壘的現象。這種現象在大學的化學課程也常被討論，用它來彰顯量子力學中如“幽靈”一般的效應。
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在一項新的研究中，一個化學家團隊進行了這樣一項實驗，他們將一個最高可高達2億伏每米的超強電場施加到了夾在兩個電極之間的氨分子樣本上。這樣一個電極加樣本的裝置只有幾百納米厚。如此強的電場能產生幾乎與兩個相鄰分子間的相互作用一樣強的力。
氨分子的特殊之處在于它具有高度的對稱性，利用施加外部電場，研究人員得以探索量子隧穿效應。氨分子也或許是首個人們從化學角度討論隧穿效應的例子。
這里的隧穿具體是什么意思呢？我們可以用一個類比來解釋。假設你在一個山谷里徒步旅行，若想要到達下一個山谷，你需要翻過眼前的一座大山，這需要你做很的多功，它對應于我們在文首提到的——在通常情況下，將傘狀結構的氨分子逆轉需要耗費很大的能量?，F在，想象一下，你的眼前有了一個隧道，通過這個隧道可以讓你不費多少力氣就直接穿過這座大山，抵達下一個山谷——這在一定條件的量子力學中是可以被允許的。事實上，如果兩個“山谷”的形狀完全相同，那么你就會同時位于兩個山谷之中。
以氨分子為例，第一個“山谷”就是低能、穩定的雨傘狀態；它的另一個“山谷”，便是具有完全相同能量的反向狀態。若要讓氨分子到達另一個“山谷”，從經典力學的角度來說，這需要將分子的能量提升到一個非常高的狀態。然而量子力學卻能讓這個孤立的分子以相同的概率處于兩個“山谷”之中。
在量子力學中，如氨分子等一些分子的可能狀態可以用一種特殊的能級模式來描述。一開始，分子處于正常結構或反向結構，但它可以自發地發生隧穿，而轉換成另一種結構。隧穿發生所需的時間由能級模式決定。兩種幾何結構之間的能壘越高，隧穿所需的時間就越長。在一些特定情況下，施加以強電場就可以抑制正常結構和反向結構之間的隧穿。
對于氨，暴露在這樣的強電場中會使得其中一個幾何結構的能量降低，另一個（反向）結構的能量升高。如此一來，所有的氨分子都處于低能狀態。為了展示這一點，研究人員在低溫狀態下（10開爾文）創造了一個分層的氬-氨-氬結構。氬是一種惰性氣體，在溫度為10K時是固態的，但氨分子在固態氬中可以自由旋轉。隨著電場的增強，氨分子的能態會發生變化，這種變化會使得氨分子處于正常狀態和反向狀態的概率相差越來越遠，從而不再出現隧穿現象。
通過施加強電場而產生的這種效應是完全可逆且不會造成損害的：當電場減弱時，氨分子又可以回到正常狀態，并同時處于兩個勢阱之中。
3。
研究人員認為，除了氨分子之外，這樣的例子應該還可以有很多。只是對許多分子來說，隧穿的能壘非常之高，以致于在宇宙的生命周期中永遠不會自發地發生隧穿。然而，許多分子都可以通過仔細調節外加的電場強度來誘導隧穿的產生?，F在，研究人員正致力于利用這種方法來研究除了氨分子之外的其他一些分子。
新的研究方法描述了我們在掌控分子和控制其基本動力學能力方面的一個新興前沿。它采用了非常獨特的實驗方法，這對未來研究分子結構和動力學具有重大意義。而且它的應用也為理解隧道現象的本質也提供了更基本的見解。
