一支科学团队首次通过实验证实，电子的位置与其时间演化同样无法同时被精确测量，他们将这一现象命名为“时空极限”。
这项由德国雷根斯堡大学超快纳米成像中心（RUN）与马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所联合开展的研究，成果于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上。研究揭示，在试图同时提升电子运动时间和空间位置测量精度的过程中，存在一种量子力学式的权衡：对电子运动时间的测定越精确，其在空间中的量子波包就越难保持局限。
该研究团队汇集了来自雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及由 Angel Rubio 领导的马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所的研究人员。论文由 Simon Maier 领衔，研究人员运用了结合阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，以观察单个电子在能量势垒中发生量子隧穿时的动态行为。
研究人员解释说，传统显微镜虽然能提供物质结构的高分辨率静态图像，但无法捕捉电子在阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）这一极短时间尺度内的变化。在这个时间尺度上，电子能够跨越原子尺度的距离，而原子几乎静止不动，因此需要类似“超高速摄像机”的尖端技术来记录这些过程。
尽管 RUN 研究团队先前已利用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动，但电子的观测更为困难，因为其运动速度比原子和分子快约 1000 倍。此次实验中，研究团队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电子的运动，实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。
实验中，电子并非以经典粒子的方式沿固定轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员通过使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，并测量产生的电流变化，从而反推出电子隧穿的具体时间。研究人员将这一过程比作一台高精度电子波包运动的“高速摄像机”。
实验结果显示，电子对激光场变化的响应并非瞬时，而是存在约 500 阿秒的延迟。马克斯 · 普朗克汉堡研究团队进行的量子模拟也证实了这一实验结果，进一步验证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散情况。他们发现，为了更精确地确定电子转移发生的时间，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扩大。这意味着，提高时间精度会以牺牲空间定位精度为代价，形成了此次实验观察到的“空间-时间极限”。
为直接测量这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子，将其作为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。实验结果表明，即使在强激光激发下，电子波包仍能保持足够的局限性，从而支持原子尺度的成像。研究人员利用此方法对银表面的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒级的时间分辨率与埃（Ångström）级空间分辨率的结合。
这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其相关技术未来有望对电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域产生影响。研究人员指出，单个电子转移代表着最小尺度的电荷移动过程，如果能在极短时间和极小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确引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极限。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理论基础。
