一支科研团队首次通过实验证实，电子的位置及其随时间的变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”。

该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联合团队完成。他们的研究成果于7月3日刊登在《自然·光子学》期刊上，首次在实验中观测到电子运动的“空间-时间极限”。

研究结果表明，当科学家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，会出现一种类似量子力学限制的权衡效应：即对电子运动时间确定得越精确，其量子波包在空间中的分布就越难保持高度集中。

参与此项研究的学者包括雷根斯堡大学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。该论文的第一作者是Simon Maier。研究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，以观察单个电子在量子隧穿过程中所发生的动态变化。

研究人员解释说，传统显微镜虽能提供物质结构的高分辨率静态图像，却无法记录电子在极短时间内的动态过程。电子的运动通常发生在阿秒尺度（10的负18次方秒），在此时间跨度内，电子可以移动原子级别的距离，而原子本身几乎静止不动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术才能捕捉这些过程。

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，但观测电子的难度更大，因为电子在这些尺度上的移动速度比原子和分子快约1000倍。此次实验中，研究人员开发了能够产生精确同步光脉冲的新型激光系统，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。

在该实验装置中，电子并非以经典物理学描述的微小粒子沿固定轨迹运动，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，并通过测量由此产生的电流变化，反推出电子发生隧穿的具体时间。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，电子并非瞬间响应激光场的改变，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，研究团队进一步测量了电子波包在空间中的扩散情况。他们发现，如果想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，提高时间精度会以牺牲空间定位能力为代价，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，使其充当微小的空间限制结构，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，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用这一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尺度空间分辨率的结合。

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。研究人员表示，单个电子的转移代表了最小尺度的电荷移动过程，若能在极短时间与极小空间内控制此类转移，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本征速度，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。