科学家们首次通过实验证实，电子的位置与其时间演化同样无法被同时精确测量，这一新现象被他们命名为“时空极限”。
德国雷根斯堡大学超快纳米成像中心（RUN）与马克斯 · 普朗克学会结构与动力学研究所的研究人员，于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上联合发布了这一突破性发现。研究揭示，在尝试同时提高电子运动时间和空间位置测量精度时，会呈现出一种与量子力学限制相似的权衡效应：对电子运动时间的确定越精确，其量子波包在空间上的局限性就越难保持。
该研究团队汇集了来自雷根斯堡大学的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及由 Angel Rubio 领导的马克斯 · 普朗克研究所的研究人员。由 Simon Maier 担任第一作者的论文详细介绍了研究方法。研究人员运用结合了阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，对单个电子在能量势垒中的量子隧穿动态过程进行了观测。
传统显微镜虽然能提供高分辨率的静态结构图像，却无法捕捉电子在极短时间尺度下的变化。电子的运动发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）级别，在此时间范围内，它们能跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎静止不动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术来记录。
此前，RUN 研究团队已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动。然而，观测电子的难度更高，因为电子在此尺度上的运动速度比原子和分子快约千倍。此次实验中，研究人员开发了能够产生精确同步光脉冲的新型激光系统，通过精确控制金属尖端与银表面之间的电子运动，实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。
实验中的电子并非经典物理学所描述的沿固定轨迹运动的粒子，而是以量子波的形式存在。研究人员利用两束具有时间延迟的近红外激光脉冲来改变电子的运动状态，并通过测量产生的电流变化来反推电子发生隧穿的具体时间。这整个过程可以被形象地理解为一台用于观察电子波包运动的高速摄像机。
实验结果表明，电子对激光场变化的响应并非瞬时，而是存在大约 500 阿秒的延迟。马克斯 · 普普朗克汉堡研究团队进行的量子模拟也印证了这一实验结果，进一步确认了电子运动过程中的时间响应特征。
研究团队随后进一步测量了电子波包在空间中的扩展情况。他们发现，若要更精确地确定电子转移发生的时间，就需要向系统注入更多能量，而能量的增加会导致电子波包在空间中的扩散范围增大。这意味着，时间的测量精度越高，空间定位的能力就越弱，这便是此次实验观察到的“时空极限”。
为了直接验证这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子，使其充当微小的空间约束结构，在激光脉冲作用前帮助限制电子波包的位置。实验结果显示，即使在强激光激发条件下，电子波包仍能保持足够的局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用此方法成功对银表面的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒时间分辨率与埃尺度空间分辨率的结合。
这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其相关技术未来可能对电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域产生深远影响。研究人员指出，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果能在极短的时间和极小的空间范围内精确控制这种转移，将有助于科学家研究如何精准地触发化学键的断裂或形成。
研究团队还表示，深入理解电子运动的固有速度，将有助于探索未来电子技术的发展边界。Rupert Huber 教授强调，这类研究可能为未来以电子自身运动速度作为极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。尽管该研究主要关注基础科学，但其潜在的应用前景令人期待，甚至可能为未来的世界杯下注策略提供新的思路。
