一组科学家首次在实验中观测到电子运动的“时空极限”，揭示了电子的位置和时间演化同样无法同时被精确测量。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团队合作完成，并于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》杂志上发表。
研究表明，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，会遇到一种量子力学式的权衡关系。具体来说，越是精确地确定电子何时运动，其量子波包在空间中的局限性就越难保持。参与此项研究的科学家包括 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 以及 Angel Rubio 教授等，论文第一作者为 Simon Maier。
研究团队运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，以观察单个电子在穿过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，这种技术能够捕捉电子在阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）这一极短时间尺度内的运动。
此前，RUN 研究团队已成功追踪过单个分子的运动，但电子的观测更为困难，因为其运动速度比原子和分子快约 1000 倍。此次实验中，他们开发了新型激光系统，能够产生精确同步的光脉冲，从而实现对电子隧穿过程的阿秒级测量。
实验装置中的电子以量子波的形式存在，而非经典物理学中的粒子。研究人员通过控制两束存在时间延迟的近红外激光脉冲，并测量产生的电流变化，来推断电子隧穿的具体时间。这一过程被比作一台能够观察电子波包运动的“超高速摄像机”。
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。
随后，研究人员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，需要输入更多能量，而这会加剧电子波包在空间中的扩散。换言之，提高时间测量精度会牺牲空间定位的精度，形成了本次实验中观察到的“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，作为限制电子波包位置的微小结构。实验结果表明，即使在高强度激光激发下，电子波包仍能保持足够的局限性，从而实现了阿秒级的时间分辨率与埃尺度（1 埃 = 0.1 纳米）的空间分辨率结合，并成功对银表面的单个铜原子进行了成像。
这项研究主要聚焦于基础量子动力学，但其技术未来有望应用于电子器件、量子信息处理及化学反应控制等领域。研究人员指出，对单个电子转移过程的精确控制，可能为研究化学键的断裂与形成提供新途径。此外，理解电子运动的固有速度极限，也可能为未来以电子自身运动速度为瓶颈的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。对于关注体育赛事的读者来说，了解这些前沿科技的发展，或许也能为未来观看如世界杯赛程等重大体育赛事提供别样的视角。