科学家们首次在实验中观测到，电子的位置与其在时间上的演化同样无法被任意精确地同时测量，他们将这一现象命名为“时空极限”。

该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研究人员合作完成，并于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上发表。研究揭示，当试图同时提高对电子运动时间和空间位置测量精度的过程中，存在一种类似于量子力学限制的权衡关系：对电子运动时间的确定越精确，其量子波包在空间中的分布就越难保持高度局限。

由雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所 Angel Rubio 领导的团队共同进行了这项研究。论文的第一作者 Simon Maier 和同事们运用了结合阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，来观察单个电子在通过能量势垒时的量子隧穿动态过程。

与能够提供高分辨率静态图像的传统显微镜不同，电子的运动发生在阿秒（10⁻¹⁸ 秒）这一极短的时间尺度上，而传统显微镜无法捕捉如此快速的变化。在这个时间尺度上，电子能够跨越原子大小的距离，而原子本身几乎静止不动，因此需要一种“超高速摄像机”般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，但电子的观测难度更大，因为电子在这些尺度上的移动速度比原子和分子快约 1000 倍。在此次实验中，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。

实验中的电子并非以经典粒子沿固定轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员通过使用两束存在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，以此推断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，电子并非立即对激光场的变化做出反应，而是存在约 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验证了这一实验结果，进一步证实了电子运动中的时间响应特征。

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，提高时间精度会以牺牲空间定位能力为代价，从而形成了此次实验所观察到的“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单个铜原子，使其充当微小的空间限制结构，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局限性，从而支持了原子尺度的成像。研究人员利用此方法对银表面的单个铜原子进行了成像，成功结合了阿秒时间分辨率与埃（Ångström）尺度空间分辨率。

这项研究主要关注基础量子动力学问题，但其技术未来可能在电子器件、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，单个电子转移代表着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控制这种转移，将有助于科学家研究如何精确地触发化学键的断裂或形成。

研究团队还表示，对电子运动固有速度的进一步理解，将有助于探索未来电子技术的发展边界。Rupert Huber 教授提到，这类研究可能为未来以电子自身运动速度作为极限的电子设备和量子信息处理技术奠定基础。