科学家们首次在实验中观察到电子运动存在一种新的限制，即“时空极限”，这意味着电子的位置与其时间演化无法同时被精确测量。

这项研究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的团队合作完成，并于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上。

研究发现，当试图同时提高电子运动时间和空间位置测量的精确度时，会呈现出一种与量子力学限制类似的权衡关系。具体来说，越精确地确定电子运动发生的时间，其量子波包在空间中的分布就越难保持高度局限。

该研究团队的成员包括来自雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 以及马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所的 Angel Rubio 教授。论文的第一作者 Simon Maier 和同事们使用了一种结合了阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，来观察单个电子在能量势垒中发生量子隧穿时的动态过程。

研究人员解释说，尽管传统显微镜可以提供高分辨率的静态图像，但它们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，在此时间内它们能跨越原子尺度的距离，而原子几乎不发生移动。因此，需要类似“超高速摄像机”的技术来捕捉这些过程。

此前，RUN 研究团队已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动，但电子的运动速度比原子和分子快约 1000 倍，使得观测难度更大。此次实验中，研究人员开发了新型激光系统，能够产生精准同步的光脉冲，从而控制金属尖端与银表面之间电子的运动，并实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

在实验装置中，电子并非以经典粒子轨迹运动，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，并通过测量产生的电流变化来反推电子隧穿的具体时间。研究人员将此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验证了这些实验结果，进一步证实了电子运动过程中的时间响应特征。

随后，研究团队测量了电子波包在空间中的扩展情况。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，而这会增加电子波包在空间中的扩散范围。这意味着，提高时间精度会伴随空间定位能力的下降，形成了此次实验观察到的“空间-时间极限”。

为了直接测量这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子，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，实现了阿秒时间分辨率与埃（Ångström）尺度空间分辨率的结合。

这项研究主要关注基础量子动力学问题，但其技术有望在未来对电子器件、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，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，若能在极短时间和极小空间范围内控制此过程，将有助于科学家研究如何精确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极限。Rupert Huber 教授指出，此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。