一组科学家首次在实验中观察到电子运动存在一种“时空极限”，即无法同时精确确定电子的位置及其运动的时间。这一发现表明，在测量电子的运动时间和空间位置时，存在一种类似于量子力学不确定性原理的制约关系。

这项突破性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共同完成。他们的成果已于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上。研究团队发现，试图同时提高对电子运动时间和空间位置测量精度的努力，会产生一种权衡效应：越精确地捕捉电子运动的时间点，其量子波包在空间上的分布就越难保持精确。

参与此项研究的科学家包括来自雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl 和 Klaus Richter，以及马克斯 · 普朗克汉堡研究所的 Angel Rubio 教授团队。该研究的第一作者 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，成功观测了单个电子在穿越能量势垒时的量子隧穿动态过程。

与传统显微镜只能提供静态图像不同，该技术能够记录电子在极短时间尺度（阿秒，即 10⁻¹⁸ 秒）内的运动。在这一尺度上，电子的移动速度远超原子和分子的运动，因此需要类似“超高速摄像机”的先进技术来捕捉这些瞬间。

尽管 RUN 研究团队此前已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪过分子运动，但电子的观测难度更大，因为其运动速度比原子和分子快约 1000 倍。此次实验中，研究人员开发了一种新型激光系统，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，并实现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，并通过测量产生的电流变化来推断电子隧穿的具体时间。这一过程被形象地比喻为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证实了这一时间响应特征，并与实验结果相符。

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能量，而这会导致电子波包在空间中的扩散范围增大。换言之，提高时间测量精度会以牺牲空间定位精度为代价，形成了此次实验所揭示的“空间-时间极限”。

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，作为一种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，电子波包仍能保持足够的空间局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用此方法成功对银表面的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒级别的时间分辨率与埃（Ångström）级别（1 Å = 10⁻¹⁰ 米）的空间分辨率的结合。

这项研究主要关注基础量子动力学问题，但其技术未来有望在电子器件、量子信息处理和化学反应控制等领域产生影响。研究团队认为，精确控制单个电子在极短时间和极小空间范围内的转移，可能有助于科学家深入研究化学键的形成与断裂机制。

研究团队还表示，深入理解电子运动的内在速度极限，将为探索未来电子技术的发展前沿提供重要依据。Rupert Huber 教授指出，这类研究可能为开发以电子自身运动速度为极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。