一支科研团队首次在实验中观察到，电子的位置与其时间演化同样无法同时达到任意高的测量精度，他们将这一新发现命名为“时空极限”。

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研究人员合作完成。他们的成果于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上，首次通过实验证实了电子运动中存在“空间-时间极限”。

研究揭示，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，会呈现出一种类似于量子力学限制的权衡关系：对电子运动发生时间测定得越精确，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，以及马克斯·普朗克汉堡结构与动力学研究所 Angel Rubio 领导的团队。论文的第一作者 Simon Maier 及其同事，采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，来观察单个电子在经历能量势垒时的量子隧穿动态过程。

研究人员指出，传统的显微成像技术可以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变化。电子的运动通常发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）量级，在这个时间尺度上，电子能够穿越原子尺度的距离，而原子本身几乎保持静止。因此，需要类似“超高速摄像机”的技术才能记录这些过程。

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运动速度比原子和分子快约 1000 倍。本次实验中，研究人员开发了新型激光系统，能够产生精确同步的光脉冲，从而控制金属尖端与银表面之间电子的运动，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遵循经典物理学描述的粒子轨迹运动，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。研究人员将这一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瞬时，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验证了这一实验结果，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，若要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，而能量的增加会导致电子波包在空间中的扩散范围扩大。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，将其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，即使在强激光激发条件下，电子波包仍能保持足够好的局限性，从而支持原子尺度的成像。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，成功结合了阿秒时间分辨率与埃（Ångström）尺度空间分辨率。

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，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果在极短时间和极小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触发化学键的断裂或形成。

研究团队还指出，深入理解电子运动的内在速度，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。