科学家们首次通过实验证实，电子的位置及其随时间的变化同样存在着测量精度的内在限制，他们将这一新发现命名为“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进行的研究，于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上发表。研究人员发现，在试图同时提高对电子运动时间和空间位置测量精度的过程中，会展现出一种类似量子力学限制的权衡关系：电子运动时间的确定性越高，其量子波包在空间上的局域性就越难保持。

该研究团队成员包括来自雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 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，对单个电子在能量势垒中发生量子隧穿的动态过程进行了观察。

传统显微镜虽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下的动态变化。电子的运动发生在阿秒（10^-18 秒）量级，在此时间内电子可跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎静止。这要求具备类似“超高速摄像机”的技术来记录相关现象。

此前，RUN 研究团队已成功运用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动。然而，电子的观测挑战更大，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，能够产生高精度同步光脉冲，并以此精确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。

实验中，电子并非以经典粒子沿固定轨迹运动，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，并通过测量产生的电流变化，反推出电子隧穿发生的精确时间。这一过程被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重现了这些实验结果，进一步证实了电子运动过程中的时间响应特性。

随后，研究团队进一步测量了电子波包在空间中的弥散情况。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，而这会加剧电子波包在空间中的扩散。这意味着，提高时间测量精度会以牺牲空间定位能力为代价，形成了此次实验所观察到的“空间-时间极限”。

为直接验证这一关系，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，电子波包仍能保持足够的局限性，这支持了原子尺度的成像。研究人员借助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。研究人员指出，单个电子转移代表着最小尺度的电荷移动过程，若能在极短时间与极小空间内精确控制此类转移，将有助于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内在速度极限，将有助于探索未来电子技术的发展前沿。Rupert Huber 教授认为，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。