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，他们称之为“时空极限”。这项发现表明，电子的位置与其运动的时间演化无法同时被无限精确地测量。
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合作的研究团队，于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上发表了他们的研究成果。实验揭示，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，会遇到一种类似量子力学中的权衡关系：更精确地确定电子运动发生的时间，会导致其在空间中的量子波包分布变得更难精确界定。
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 及其同事，利用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，来观察单个电子在穿过能量势垒时的量子隧穿动态过程。
研究人员解释说，传统的显微镜虽然能提供高分辨率的物质结构图像，但无法捕捉电子在极短时间内的变化。电子的运动通常发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）尺度，在这个时间范围内，电子可以移动原子尺度的距离，而原子本身几乎静止不动。因此，需要一种“超高速摄像机”般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过单个分子的运动。然而，观测电子的难度更大，因为电子在这些尺度上的速度比原子和分子快约 1000 倍。在此次实验中，研究团队开发了一种新型激光系统，能够产生高精度同步的光脉冲。通过控制金属尖端与银表面之间的电子运动，他们实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。
实验中的电子并非如经典物理学所描述的那样沿固定轨迹运动，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推断电子隧穿的确切时间。研究人员将这一过程比作一台能够观察电子波包运动的高速摄像机。
实验结果显示，电子对激光场的响应并非瞬时的，而是存在大约 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。
随后，研究团队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的能量，而这会引起电子波包在空间中的扩散范围扩大。这表明，提高时间测量精度会以牺牲空间定位精度为代价，从而形成了此次实验所观察到的“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，将其作为微小的空间限制结构，在激光脉冲作用前帮助束缚电子波包的位置。实验结果表明，即使在强激光激发下，电子波包仍能保持相当的局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用这种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（10⁻¹⁰ 米）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，但其技术未来有望在电子器件、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，如果能够在极短时间和极小空间范围内精确控制这种转移，将有助于科学家们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本征速度，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性能极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。这项突破性进展，或许能为我们理解和观看未来的精彩赛事，例如 世界杯直播，提供新的技术视角。
