氨分子通常以伞状存在，三个氢原子以非平面的形式围绕一个氮原子展开。这种伞状结构非常稳定，通常需要大量的能量才能实现逆转。

然而，一种称为隧穿的量子力学现象允许氨和其他分子同时存在于由高能量势垒分隔的几何结构中。麻省理工学院化学教授罗伯特·菲尔德、罗伯特·哈斯拉姆和布拉德利·杜威等化学家，通过使用一个非常大的电场来抑制氨分子在正常和反转状态下的同时占据，对这一现象进行了研究。“这是隧穿现象的一个很好的例子，它揭示了量子力学的奇妙之处。”菲尔德说。

抑制反转

这项实验是在首尔国立大学进行的，研究人员采用了一种新方法，将一个非常大的电场（最高可达2亿伏特每米）施加到夹在两个电极之间的样本上。这个组件只有几百纳米厚，外加电场产生的力几乎和相邻分子之间的相互作用一样强。

“我们可以应用这些巨大的场，它们的大小几乎与两个分子相互靠近时所经历的场的大小相同。”菲尔德说，“这意味着我们正在使用一种外部手段，在一个平等的竞争环境中，让分子自己发挥作用。”

这使得研究人员能够探索量子隧穿现象，这种现象经常在本科化学课程中被用来演示量子力学的“幽灵效应”之一。

打个比方，想象你在一个山谷里徒步旅行。要到达下一个山谷，你需要爬过一座大山，这要付出很大的能量。现在，你可以通过隧道穿过这座山到达下一个山谷，这样就轻松许多了。在某些条件下，这就是量子力学所允许的。事实上，如果两个山谷的形状完全相同，那么您将同时位于两个山谷中。

以氨为例，第一个谷是低能、稳定的伞态。要使分子到达另一个山谷，即具有完全相同的低能的反相状态，通常需要上升到高能状态。然而，在量子力学上，孤立分子在两个谷中的概率相等。

在量子力学中，分子的可能状态，是用特征能级模式来描述的。这种分子最初存在于正常结构或倒排结构中，但它能自发地向另一结构扩散。隧穿发生所需的时间量被编码在能级模式中。两种结构之间的势垒越高，则隧穿时间越长。在某些情况下，如强电场的应用，可以抑制规则结构和反转结构之间的隧穿。

对于氨，暴露在强电场中会降低一个结构的能量，并提高另一个（反向）结构的能量。结果，所有的氨分子都能在低能量状态下被发现。研究人员通过在10开尔文下形成一个分层的氩氨氩结构来证明这一点。氩是一种惰性气体，在10 K时是固态的，但氨分子在氩固体中可以自由旋转。随着电场的增加，氨分子的能量状态发生变化，使得在正态和反态找到分子的几率变得越来越远，不再发生隧穿。

这种效应是完全可逆和无损的：随着电场的减小，氨分子在两个井中都恢复到其同时存在的正常状态。

菲尔德说，对于许多分子来说，隧穿的障碍是如此之高，以至于在宇宙的生命周期中永远不会发生隧穿。然而，除了氨之外，还有一些分子可以通过仔细调节外加电场而被诱导隧穿。