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一个研究团队首次通过实验证实，电子的位置与其时间演变同样无法被同时精确测量，他们将此现象命名为“时空极限”。

此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合作完成，研究成果于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上。实验结果揭示，在尝试同时提高电子运动时间和空间位置测量精度时，存在一种类似于量子力学限制的权衡关系：电子运动时间的确定越精确，其在空间中的量子波包就越难保持高度局限。

参与该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 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 及其团队，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，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，传统显微镜虽能提供物质结构的高分辨率静态图像，却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）级别，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。

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单个分子的运动，但电子的运动速度比原子和分子快约 1000 倍，因此对其进行观测的难度更大。在此次实验中，研究人员开发了新的激光系统，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。研究人员利用两束带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反推出电子发生隧穿的具体时间，这过程被比喻为一台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。

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，而这会加剧电子波包在空间中的扩散。这表明，提高时间精度将导致空间定位能力的下降，形成了此次实验观察到的“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，将其作为一个微小的空间限制结构，在激光脉冲作用前帮助约束电子波包的位置。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，从而支持原子尺度的成像。研究人员利用此方法对银表面的单个铜原子进行了成像，实现了阿秒级的时间分辨率与埃级（10⁻¹⁰ 米）的空间分辨率的结合。

这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其技术有望在未来应用于电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域。研究人员指出，单个电子转移是最小尺度的电荷移动过程，若能在极短时间和极小空间内控制此过程，将有助于研究如何精确引发化学键的断裂或形成。

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潜力。Rupert Huber 教授认为，此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。