一支研究团队首次在实验中观察到，电子的位置及其时间演化同样无法同时被精确测量，他们将此现象命名为“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 · 普朗克学会汉堡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》期刊上公布了这项首次在实验中观测到电子运动“空间-时间极限”的发现。

研究表明，当研究人员试图同时提高对电子运动时间和空间位置测量精度的要求时，会呈现出一种类似于量子力学限制的权衡效应：更精确地确定电子运动发生的时间，将导致其量子波包在空间上的局域性难以保持。

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。论文的第一作者 Simon Maier 及其团队，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，来观察单个电子在穿过能量势垒时的量子隧穿动力学过程。

研究人员指出，传统的显微镜虽然能提供物质结构的高分辨率静态图像，却无法捕捉电子在极短时间尺度内的动态变化。电子的运动通常发生在阿秒（10^-18 秒）级别，在这个时间尺度内，电子可以跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎不移动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术来记录这些过程。

此前，RUN 研究团队已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪了单个分子的运动，但电子的观测更为困难，因为电子在这些尺度上的运动速度比原子和分子快约 1000 倍。在此次实验中，研究人员开发了一种新型激光系统，能够产生高度同步的光脉冲，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。

在实验装置中，电子并非如经典物理学所描述的那样以粒子形态沿固定轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员通过使用两束存在时间延迟的近红外激光脉冲来改变电子的运动状态，并测量由此产生的电流变化，从而反推出电子发生隧穿的具体时间。研究人员将这一过程比作一台用于观察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成功复现了这些实验结果，进一步证实了电子运动过程中的时间响应特性。

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，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，而这种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，提高时间精度会以降低空间定位能力为代价，从而形成了此次实验所观察到的“空间-时间极限”。

为了直接测量这种关联，研究人员在银表面放置了单个铜原子，利用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好的局域性，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。研究人员表示，单个电子转移代表了最小尺度的电荷转移过程，若能在极短的时间和极小的空间范围内控制这种转移，将有助于科学家研究如何精确地触发化学键的断裂或形成。

研究团队还指出，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 教授表示，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。