一支国际研究团队首次在实验中观察到，电子的运动在时间和空间上同样存在一个无法同时精确测定的“时空极限”，这一发现是对海森堡不确定性原理的进一步验证。

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合作的研究，发表于 7 月 3 日的《自然 · 光子学》期刊。研究揭示，当科学家尝试同时提高测量电子运动时间和空间位置的精度时，会遇到一种类似于量子力学限制的权衡关系。换言之，越精确地确定电子运动发生的时刻，其在空间中的量子波包就越难以被精确限定。

参与此项研究的科学家包括来自 RUN 的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter，以及马克斯 · 普朗克研究所的 Angel Rubio 及其团队。论文的第一作者 Simon Maier 和研究人员，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通过能量势垒时的量子隧穿动态过程。

传统的显微技术虽能提供高分辨率的物质结构图像，却无法捕捉电子在阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）这一极短时间尺度内的变化。在此时间尺度下，电子能够跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎静止不动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术来记录这些过程。

尽管 RUN 研究团队此前已利用超快扫描隧道显微技术追踪过分子运动，但电子的运动速度比原子和分子快约 1000 倍，观测难度更大。此次实验中，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，从而实现了对金属尖端与银表面之间电子隧穿过程的阿秒级测量。

实验中的电子并非经典粒子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，并测量由此产生的电流变化，以推断电子发生隧穿的具体时间。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 · 普朗克研究所团队进行的量子模拟也证实了这一时间响应特征。

随后，研究人员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，而这会反过来导致电子波包在空间中的扩散范围增大。这意味着，提高时间精度必然会伴随空间定位能力的下降，形成了此次实验所观测到的“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，作为微小的空间约束结构，在激光脉冲作用前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，但其技术未来有望应用于电子器件、量子信息处理和化学反应控制等领域。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，若能在极短时间和极小空间范围内控制这一过程，将有助于科学家研究如何精确触发化学键的断裂或形成，就像在足球世界杯赛场上精准控制每一次传球一样。

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为极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。