科学家们首次通过实验验证了一个关于电子运动的新原则，即电子的位置与其时间演化同样无法被无限精确地同时测量，他们将此命名为“时空极限”。

这项研究由德国雷根斯堡大学雷根斯堡超快纳米成像中心（RUN）与德国马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所的联合团队完成。他们的成果于 7 月 3 日发布在《自然 · 光子学》（Nature Photonics）期刊上，首次在实验中观测到了电子运动的“空间-时间极限”（space-time limit）。

研究结果表明，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，会遇到一种类似于量子力学限制的权衡效应：对电子运动发生时间越精确的把握，就越难以在空间上精确限定其量子波包的分布。

该研究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。论文的第一作者是 Simon Maier。研究团队运用了光波驱动扫描隧道显微镜技术，并结合了阿秒时间分辨能力，以观察单个电子在穿越能量势垒时发生的量子隧穿动态过程。

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，但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尺度，即 10⁻¹⁸ 秒。在这个时间尺度内，电子可以跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎不发生位移，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。然而，观测电子的难度更大，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。在本实验中，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，并以此控制金属尖端与银表面之间的电子运动，从而实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

实验装置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，并通过测量由此产生的电流变化，反推出电子发生隧穿的确切时间。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并非即时发生，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重现了实验结果，进一步证实了电子运动过程中存在时间响应特征。

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，提高时间测量精度会伴随着空间定位能力的下降，从而形成了此次实验所观察到的“空间-时间极限”。

为了直接测量这一关系，研究人员在银表面放置了一个单独的铜原子，将其作为一个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，电子波包仍能保持相对局限，从而支持了原子尺度的成像。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，但其相关技术在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影响。研究人员表示，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果在极短的时间和极小的空间范围内能够控制这种转移，将有助于科学家研究如何精确地引发化学键的断裂或形成。

研究团队还指出，进一步理解电子运动的固有速度，有助于探索未来电子技术的发展前沿。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。