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在量子力学中，粒子可以从它们的束缚中逃逸，即使有势垒阻挡，通过一个称为隧穿的过程。隧穿不仅仅是量子奇观——例如，隧穿电子被扫描隧道显微镜利用，以在最小的尺度上进行观察。这些探针可以通过检测电子从表面穿过一个小间隙隧穿到显微镜的微小扫描尖端，从而在原子水平上成像表面。
本周《科学》杂志上的一篇论文为隧穿增加了新的深度，展示了电子如何容易地从分子中的多个轨道隧穿出来。“直到最近，每个人都会认为只有最容易获得的电子才能隧穿，”渥太华大学物理学家、加拿大国家研究委员会阿秒科学主任研究合著者保罗·科克姆说。过去几年的系列研究论文已经开始修正这种想法，表明较低的轨道也参与其中。
在新的研究中，科克姆和他的同事观察到电子从受到激光脉冲的氯化氢 (HCl) 分子中隧穿出来，并将电子追溯到它们的母体轨道。“您会认为最高的轨道，只需要稍微穿过经典允许的势垒，就会有巨大的优势，而[下一个]较低的轨道，需要大量穿过势垒，则会被高度抑制，”科克姆说。但该团队发现，次高轨道对总隧穿电流贡献了可测量的量。
去年年底，两个研究小组在《科学》杂志上发表了论文，展示了如何使用强激光脉冲不仅可以从最高分子轨道释放电子，还可以从下一个较低的轨道释放电子。斯坦福大学化学物理学家马库斯·居尔，在加利福尼亚州门洛帕克的 SLAC 国家加速器实验室，与人合著了其中一篇论文，目的是实时检查分子过程。
“我们这个领域的普遍愿景是，我们想要研究化学，”没有参与这项新研究的居尔说。探测电子形成和破坏原子之间键的方式对于在基本层面上追踪化学的运作至关重要。“我对电子的敏感性确实是一个新的关键步骤，我想说，”居尔补充道。
在 2008 年的工作中，居尔小组研究了氮气中的电子隧穿。“氮分子具有这两个轨道......非常接近的优势，”居尔说。他补充说，在科克姆小组探测的氯化氢分子中，轨道之间的距离要远得多，这使得来自较低轨道的隧穿贡献更加显著。
氯化氢分子成为这种隧穿实验的方便测试平台。当电子从氯化氢的最高轨道剥离时，离子（分子的带电版本）得以幸存。但是，下一个较低轨道中的电子负责分子原子之间的键，因此当电子从该轨道隧穿时，HCl 分子会分裂。这种碎片化是较低水平隧穿的一个特征。
除了在一种不太容易进行低轨道隧穿的分子中证明了低轨道隧穿外，科克姆小组还能够展示它发生的频率。“我想说，在我们[去年]提出的证据以及其他小组提出的证据中，很明显[较低水平的轨道]在隧道电离中肯定有贡献，”居尔说。“但尚不清楚定量到何种程度。”居尔补充说，科克姆小组已经迈出了下一步，直接量化较低轨道的贡献——在本实验中，较低的轨道贡献了总隧穿电流的 0.2%。
科克姆指出，从较低轨道而不是较高轨道获取电子在指数上更困难，但并非理论上禁止的。因此，尽管新的结果乍一看令人惊讶，但从物理学的角度来看，它们是有道理的。“我想说我们的偏见是错误的，而不是理论本身，”科克姆说。