一支科学团队首次通过实验证实，电子在运动过程中，其位置和时间演化同样无法同时被精确测量，他们将这一现象命名为“时空极限”。

这项突破性研究由德国雷根斯堡大学的雷根斯堡超快纳米成像中心（RUN）与德国马克斯 · 普朗克学会汉堡结构与动力学研究所的科研人员合作完成。他们的研究成果于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上，首次在实验中观测到了电子运动的“空间-时间极限”。

研究表明，当科学家们试图同时精确测定电子运动的时间和空间位置时，会遇到一种类似于量子力学限制的权衡效应：对电子运动时间的确定越精确，其量子波包在空间中的局域性就越难以保持。

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。论文的第一作者 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，成功观察了单个电子在穿越能量势垒时的量子隧穿动态过程。

研究人员解释说，传统的显微镜虽然能提供高分辨率的物质结构静态图像，却无法捕捉电子在极短时间尺度下的变化。电子的运动通常发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）量级，在此期间，电子可以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。

此前，RUN 研究团队已成功利用超快扫描隧道显微技术跟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。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。

在实验装置中，电子并非按照经典物理学的粒子轨迹运动，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，反推出电子发生隧穿的具体时间。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的，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成功重现了实验结果，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，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的能量，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，提高时间精度会伴随着空间定位能力的下降，从而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一个单个铜原子，将其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，电子波包仍能保持相当的局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用这种方法对银表面上的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒级的时间分辨率与埃（Ångström）级（1 埃 = 0.1 纳米）的空间分辨率相结合。

这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其相关技术有望在未来对电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域产生影响。研究人员指出，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，如果在极短的时间和极小的空间范围内能够控制这种转移，将有助于科学家们研究如何精确地引发或阻止化学键的形成与断裂。

研究团队还表示，深入理解电子运动的固有速度，将有助于探索未来电子技术的发展极限。Rupert Huber 教授强调，这类研究可能为未来以电子自身运动速度作为性能极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。