位置与时间在经典物理学中有着本质的区别，而在量子力学中，海森堡测不确定原理并未对这两个物理量施加相同的限制。如今，一个由雷根斯堡超快纳米oscopy中心（RUN）的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl 和 Klaus Richter 教授研究团队，以及汉堡马克斯·普朗克研究所 Angel Rubio 领导的团队组成的国际合作小组，通过实验首次证明了另一项基本的自然限制：电子的空间位置与其随时间推移的行为无法被同时以任意精度确定。这一被称为“时空极限”（space-time limit）的全新观测关系，可能对量子技术和超快电子学的未来产生深远影响。
以惊人速度观测电子运动
理解物质在最小尺度上的行为，对于开发下一代技术至关重要。清洁能源、量子计算以及用于人工智能的强大电子学设备的进步，全都有赖于阐明化学反应是如何展开的、光如何与材料相互作用，以及电子如何在电子器件中传导。然而，即使是最清晰的显微照片也无法揭示全貌。科学家还需要观察这些过程随时间推移的变化，这实际上就如同制作原子尺度事件的“慢动作电影”。
在 RUN，研究人员正在开发能够以极高空间和时间精度记录电子、原子和分子运动的超快显微镜。大约十年前，雷根斯堡的科学家就曾利用超快扫描隧道显微镜，首次解析了单个分子在空间和时间中的运动轨迹。然而，追踪单个电子则面临着更大的挑战。在这些微观距离下，电子的运动速度比原子和分子快大约一千倍，其关键变化往往发生在短短的阿秒（attosecond）之内。
为了体会这些尺度的极端性，我们可以设想：一个原子的大小大约是一毫米的千万分之一；而一阿秒则是十亿分之一秒的十亿分之一。一阿秒与一秒之间的差距，大致相当于一秒钟与整个宇宙年龄之间的差距。进行此类测量之所以异常困难，是因为电子并不像普通物体那样运动，其行为遵循不同寻常的量子力学规律，而非人们熟悉的经典物理学法则。
超快激光揭示量子隧穿现象
为了在这些极端速度下观测电子行为，研究人员构建了一个全新的激光系统，其提供的时间分辨率远超以往的实验。该系统使他们能够直接控制和研究单个电子的量子运动。在实验中，经过精心时间控制的激光脉冲将电子从一个极度尖锐的金属针尖驱赶至银表面，其跨越的距离仅仅只有几个原子的直径。
研究人员通过测量由此产生的电流来检测这种运动。为了准确判定电子移动的时间，他们使用了由精确控制的时间间隔隔开的两束光脉冲。论文的第一作者 Simon Maier 解释道：“通过改变两个激光脉冲之间的时间间隔，我们可以直接观察电子是如何响应的。”
这种方法揭示了发生在阿秒时间尺度上的电子运动的清晰证据。它表明，激光脉冲可以在这些难以置信的极短间隔内转移电子，同时允许科学家在过程发生时对其进行实时观测。这项成果最引人注目之处在于电子的移动方式。它们并非像常规粒子那样移动，而是表现为量子波。这使得它们能够穿透将金属针尖与银表面隔开的能量势垒，尽管经典物理学预测它们并没有足够的能量跨越这道屏障。这种现象被称为量子隧穿，在某种程度上就像一个物体在不破坏或损坏固体墙壁的情况下穿墙而过。
“我们的测量可以被理解为电子波包的高速摄像机，因为你可以看到隧穿过程发生在哪个时间点，”博士生兼论文共同作者 Katharina Glöckl 解释道。
令人惊讶的 500 阿秒延迟
为了更深入地理解这些测量结果，与 Angel Rubio 教授合作的研究人员对“时空极限”附近的电子行为进行了复杂的量子模拟。他们的计算结果与实验发现高度吻合，并揭示了另一个引人注目的细节：电子对光场的响应并非瞬时完成的，其运动落后于光场约 500 阿秒。
在如此极端的尺度下，量子物理学的几个基本特征同时发挥了重要作用。例如，研究人员发现，不能完全通过将光视为波或完全视为光子（粒子）来描述激光脉冲，其效应同时展现了这两种描述的特征。这种结合对于探索如此接近“时空极限”的电子行为至关重要。
研究团队还发现，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”来描述这些电子，波包代表了它们的波动特性如何在不同位置延伸。电子运动的时间与这些波包的空间广度之间的关系，揭示了这一发现背后的核心限制。
空间与时间之间的隐藏权衡
该研究的另一位共同作者 Raffael Spachtholz 解释道：“我们越想精准锁定电子在时间上的位置，就需要提供越多的能量。结果就是，电子波包在空间上会扩散得更广。”换句话说，提高电子计时精度的代价是：研究人员对电子运动发生时间的定义越紧凑，其量子波包在空间中的扩散就越广泛。
为了在实验中检验这种关系，研究团队在表面放置了单个原子，以便在激光脉冲到达之前，将电子波包限制在一个极小的区域内。这种设置使科学家能够直接测量电子的空间分布与其运动时间之间的联系。
重要的是，即便电子从激光脉冲获得了相当大的能量，它们的波包依然保持了足够的局域化，从而能够实现具备原子空间分辨率和阿秒时间分辨率的显微成像。这些发现为科学家此前仅凭猜测的基本时空约束提供了实验洞察，同时也使得系统研究电子随时间的运动变化如何影响量子波函数的空间结构成为可能。
量子电子学能快上数十万倍吗？
除了揭示量子行为的新侧面外，这一发现还可能开启在技术上远超当今电子学能力的全新应用大门。一个极具前景的方向是利用精确控制的电子波包来影响化学反应。将单个电子转移到分子上代表了电荷转移的最小极限。然而，当该电子被浓缩在空间和时间的极小区域内时，所产生的局部峰值电流密度可以高达每平方厘米 1 万亿安培。这种极端的条件可能为科学家提供控制化学键并观察分子在反应过程中如何变化的新途径。
Jascha Repp 教授充满热情地解释道：“在未来，我们希望利用这样的波包来专门触发化学反应，并在相关的长度和时间尺度上观察化学键是如何断裂或改变的。”
这些应用的影响可能会远远超出化学领域。对电子运动的更高控制力，最终可能帮助工程师开发出运行速度接近电子动力学基本极限的电子器件和量子信息系统。
Rupert Huber 教授补充道：“从长远来看，所获得的这些见解还可能有助于以电子运动本身固有的速度极限——比当前占主导地位的 CMOS 技术快数十万倍——来运行电子学和量子信息处理。”
尽管这种可能性在当前阶段仍是一个长期的技术目标，而非本次实验中已经达到的现实成果，但这些研究结果为探索如何在最小距离和最短时间尺度上操控电子奠定了全新的基础。对于 Repp 和 Huber 而言，这些结果表明潜在应用的范围极其广泛。他们相信，未来在时空极限下控制电子方面的进展，最终可能更多取决于人类的创造力，而非自然界所施加的约束。