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一支科研团队首次通过实验观察到，单个电子的位置与其时间演变同样无法被无限精确地同时测量，他们将这一新现象命名为“时空极限”。
该研究由德国雷根斯堡大学超快纳米成像中心（RUN）与德国马克斯·普朗克学会结构与动力学研究所的合作完成，并于7月3日在《自然·光子学》期刊上发表。研究揭示，当研究人员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，会遇到一种类似于量子力学限制的权衡关系：时间测量的精度越高，电子的量子波包在空间中的定位就越不精确。
参与这项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、Klaus Richter教授，以及马克斯·普朗克汉堡结构与动力学研究所的Angel Rubio教授团队。论文的第一作者Simon Maier及其同事，利用一种集成了阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，对单个电子在能量势垒中的量子隧穿动态过程进行了观测。
与能够提供物质结构高分辨率静态图像的传统显微镜不同，该技术能够记录电子在极短时间尺度内的动态变化。电子的运动发生在阿秒（10-18秒）级别，在这个时间尺度内，电子可以跨越原子大小的距离，而原子本身几乎保持静止。因此，捕捉这类过程需要类似“超高速摄像机”的先进技术。
尽管RUN研究团队此前已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪单个分子的运动，但电子的观测难度更大，因为其运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，实现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，而是表现为量子波。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来反推电子隧穿发生的精确时间。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。
实验结果表明，电子对激光场变化的响应并非瞬时，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证实了这一时间响应特征，并与实验结果相吻合。
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，而这会加剧电子波包在空间中的扩散。这意味着，提高时间测量精度必然导致空间定位能力的下降，形成了此次实验中观测到的“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，将其作为微小的空间限制结构，在激光脉冲作用前帮助束缚电子波包的位置。实验结果显示，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，实现了阿秒时间分辨率与埃（Ångström）尺度空间分辨率的结合。
这项研究主要关注基础量子动力学问题，但其技术未来有望应用于电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域。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，如果能在极短时间和极小空间范围内实现对其的精确控制，将有助于科学家研究如何精准地触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极限。Rupert Huber教授认为，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。
