量子物理对科学家可获知的粒子行为设定了基本限制。海森堡的不确定性原理指出，粒子的位置与动量等属性不能同时以无限精度测量。该限制并非来自科学仪器缺陷，而是自然规律的内在组成部分。

但位置与时间不同。海森堡不确定性原理并未对这两个量施加同样限制。研究人员现已通过实验证明另一项基本限制：电子的空间位置与其随时间的行为不能同时以任意精度确定。这一新观测到的关系被称为时空极限（space-time limit），可能对量子技术与超快电子学的未来产生重要影响。

该发现来自一项国际合作，参与方包括由 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl 和 Klaus Richter 教授领导的雷根斯堡超快纳米显微中心（RUN）研究组，以及 Angel Rubio 领导的汉堡马克斯·普朗克研究所团队。

在极高速度下观测电子运动

理解物质在最小尺度上的行为，是开发下一代技术的基础。清洁能源、量子计算以及面向人工智能的高性能电子器件的进展，都依赖于认识化学反应如何展开、光如何与材料相互作用，以及电子如何在电子器件中传输。

然而，即使最锐利的显微图像也无法呈现全貌。科学家还需要观测这些过程如何随时间变化，从而获得原子尺度事件的时间分辨序列。

在 RUN，研究人员正在开发超快显微镜，能够在空间与时间两个维度以极高精度记录电子、原子和分子的运动。约十年前，雷根斯堡的科学家利用超快扫描隧道显微镜，首次在空间与时间上分辨单个分子的运动。

追踪单个电子面临更大挑战。在这些微观距离上，电子的运动速度可比原子和分子快约一千倍，重要变化仅发生在数阿秒（attosecond）内。

这些尺度极为极端：原子约比一毫米小一千万倍；一阿秒等于十亿分之一的十亿分之一秒；一阿秒与一秒之差，相当于一秒与宇宙年龄之差。

进行此类测量尤其困难，因为电子不像普通物体那样行为。其运动遵循量子力学的非直观规律，而非经典物理的熟悉规则。

超快激光揭示量子隧穿

为观测电子在这些极高速度下的行为，研究人员构建了一套新激光系统，其时间分辨率显著优于此前实验。该系统使他们能够直接控制并研究单个电子的量子运动。

实验中，精确定时的激光脉冲将电子从极尖锐的金属针尖驱动至银表面。电子行进距离仅为几个原子直径。

研究人员通过测量产生的电流来检测这一运动。为确定电子运动的准确时刻，他们使用两束间隔精确控制的光脉冲。

论文第一作者 Simon Maier 表示，改变两个激光脉冲之间的时间间隔，可以直接观察电子如何响应。

该方法给出了电子在阿秒时间尺度上运动的明确证据。结果表明，激光脉冲可在这些极短间隔内转移电子，同时使科学家能够观察过程的发生。

该结果的关键在于电子的传输方式。电子不像传统粒子那样运动，而是表现为量子波。这使它们能够穿过分隔金属针尖与银表面的能垒，尽管经典物理预测其能量不足以跨越该能垒。

该现象称为量子隧穿（quantum tunneling），即电子穿过经典物理认为不可逾越的能垒。

论文共同作者、博士生 Katharina Glöckl 表示，该测量可理解为对电子波包（wave packet）进行高速时间采样，因为可以确定隧穿过程发生的具体时刻。

约500阿秒的响应延迟

为更深入理解测量结果，Angel Rubio 教授团队对电子在时空极限附近的行为进行了复杂的量子模拟。

其计算紧密复现了实验结果，并揭示了另一项细节：电子并未瞬时响应光场，其运动滞后约 500 阿秒。

在这种极端尺度上，量子物理的若干基本特征同时变得重要。

例如，研究人员发现，激光脉冲不能完全按光波描述，也不能完全按称为光子的单个粒子描述。其效应同时呈现两种描述的特征。对于探索如此接近时空极限的电子行为，这种组合是必要的。

团队还发现，在极短间隔内控制电子运动，会改变电子在空间中的分布。量子力学用波包描述这些电子，波包表示其波动性质如何延伸到不同位置。

电子运动的时间精度与这些波包的空间范围之间的关系，揭示了该发现背后的核心限制。

空间与时间之间的隐含权衡

研究共同作者 Raffael Spachtholz 表示，越精确地确定电子在时间上的位置，就需要提供越多能量；其结果是电子波包在空间上扩展得越大。

换言之，提高电子时间精度需要付出代价。研究人员越严格地界定其运动发生的时刻，其量子波包在空间中扩展得越宽。

为通过实验考察这一关系，团队在表面放置单个原子，在激光脉冲到达前将电子波包限制在极小区域内。

该设置使科学家能够直接测量电子空间分布与其运动时间之间的关系。

重要的是，即使电子从激光脉冲获得大量能量，其波包仍保持足够局域化，从而支持具有原子空间分辨率和阿秒时间分辨率的显微测量。

这些结果为科学家此前仅推测的基本时空约束提供了实验依据。它们还使系统研究电子运动随时间的变化如何影响量子波函数的空间结构成为可能。

量子电子学的潜在速度上限

除揭示量子行为的新方面外，该发现还可能为在远超当前电子学能力的时间尺度上运行的技术开辟道路。

一项尤其有前景的可能性是利用精确控制的电子波包影响化学反应。

向分子转移单个电子是可实现的最小电荷转移。但当该电子被压缩在极小的空间与时间区域内时，由此产生的局部峰值电流密度可达每平方厘米 1 万亿安培。

这种极端条件可为科学家提供控制化学键并观察分子在反应过程中变化的新方法。

Jascha Repp 教授表示，未来希望利用此类波包定向触发化学反应，并在相关长度与时间尺度上观察化学键如何断裂或改变。

其影响可能远超化学领域。对电子运动的更强控制最终可能帮助工程师开发运行速度接近电子动力学基本极限的电子器件与量子信息系统。

Rupert Huber 教授补充说，从长期看，所获认识还可能推动电子学与量子信息处理在电子运动本身的本征速度极限下运行，即比当前主导的 CMOS 技术快数十万倍。

该可能性仍是长期技术目标，而非当前实验已展示的成果。尽管如此，这些发现为探索如何在最小距离与最短时间尺度上操纵电子提供了新基础。

对 Repp 与 Huber 而言，结果表明潜在应用范围极为广泛。他们认为，未来在时空极限下控制电子的进展，最终可能更多取决于人类创造力，而非自然施加的约束。