量子物理为科学家所能了解的粒子行为设定了根本性限制。维尔纳·海森堡著名的不确定性原理指出，某些物理量——比如粒子的位置和动量——不可能同时被无限精确地测量。这种限制并非源于科学仪器的缺陷，而是自然法则本身所固有的。

但位置和时间有所不同。海森堡的不确定性原理并未对这两个量施加相同的限制。如今，研究人员通过实验证实了另一种根本性限制：电子的位置和它随时间演变的行为，无法同时被任意精确地确定。这种被称为“空间-时间极限”的新关系，可能对量子技术和超快电子学的未来产生重大影响。

这一发现来自一项国际合作，参与方包括雷根斯堡超快纳米显微中心（RUN）——由Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl和Klaus Richter教授领导的多个研究团队，以及汉堡马克斯·普朗克研究所由Angel Rubio领导的团队。

以惊人速度观测电子运动

理解物质在最小尺度上的行为方式，对于开发下一代技术至关重要。清洁能源、量子计算以及面向人工智能的强大电子器件等领域的进步，都依赖于对化学反应展开过程、光与材料相互作用方式以及电子在电子器件中运动方式的深入理解。

然而，即便是最清晰的微观照片也无法呈现完整图景。科学家还需要观察这些过程如何随时间变化，从而实质上制作出原子尺度事件的慢动作影片。

在RUN，研究人员正在开发超快显微镜，能够以极高的空间和时间精度记录电子、原子和分子的运动。大约十年前，雷根斯堡的科学家利用超快扫描隧道显微镜，首次在空间和时间上解析出单个分子的运动。

追踪单个电子则是更大的挑战。在这样的微观距离下，电子的移动速度大约比原子和分子快一千倍，重要的变化只在阿秒量级的时间内发生。

要理解这些尺度有多极端，可以参考：一个原子大约比一毫米小一千万倍。一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。阿秒与一秒之间的差距，相当于一秒与整个宇宙年龄之间的差距。

进行这类测量尤其困难，因为电子的行为不像普通物体。它们的运动遵循量子力学的特殊规律，而非人们熟悉的经典物理法则。

超快激光揭示量子隧穿

为了在这种极端速度下观测电子行为，研究人员构建了一套新的激光系统，其时间分辨率远高于以往实验。该系统使他们能够直接控制并研究单个电子的量子运动。

在实验中，精确计时的激光脉冲将电子从一根极其尖锐的金属针尖驱动至银表面。电子移动的距离仅相当于几个原子的直径。

研究人员通过测量所产生的电流来探测这种运动。为了精确确定电子移动的时刻，他们使用了两束间隔经过精密控制的光脉冲。

论文第一作者西蒙·迈尔（Simon Maier）解释说：“通过改变两个激光脉冲之间的时间间隔，我们可以直接观察到电子的响应方式。”

这种方法清楚地揭示了发生在阿秒时间尺度上的电子运动证据。它表明激光脉冲能够在这些极其短暂的时间间隔内转移电子，同时让科学家得以实时观察这一过程。

这一结果尤为引人注目之处在于电子的运动方式。它们并非像传统粒子那样移动，而是表现为量子波。这使它们能够穿过将金属针尖与银表面分隔开的能量势垭，尽管经典物理学预测它们本不该具备足够的能量跨越这道屏障。

这种现象被称为量子隧穿，有点类似于一个物体在不破坏、不损伤的情况下穿过一堵实心墙。

“我们的测量可以理解为给电子波包拍摄的高速摄影，因为你可以看到隧穿过程发生在哪个时间点，”博士生、论文合著者卡塔琳娜·格勒克尔（Katharina Glockl）解释道。

意外的500阿秒延迟

为了更深入理解测量结果，与Angel Rubio教授合作的研究人员对“空间-时间极限”附近电子的行为进行了复杂的量子模拟。

他们的计算结果与实验结果高度吻合，并揭示了另一个值得关注的细节：电子对光场的响应并非瞬时发生，其运动相对于光场大约滞后了500阿秒。

在如此极端的尺度上，量子物理的若干基本特征会同时显现出重要性。

例如，研究人员发现，激光脉冲的效应无法完全用“光是一种波”来描述，也无法完全用“光由被称为光子的独立粒子组成”来描述。其效应同时体现出这两种描述的特征。这种结合对于探究如此接近“空间-时间极限”的电子行为至关重要。

研究团队还发现，在极短时间间隔内控制电子运动，会改变电子在空间中的分布方式。量子力学用波包来描述这些电子，波包表示其波动性质在不同位置上的延展情况。

电子运动的时间精度与这些波包的空间延展程度之间的关系，正是这一发现背后核心限制的体现。

空间与时间之间隐藏的权衡

该研究的另一位合著者拉菲尔·施帕赫托尔茨（Raffael Spachtholz）解释说：“我们越想精确确定电子在时间上的位置，就需要提供越多的能量。其结果是，电子波包在空间上会扩展得更广。”

也就是说，提高对电子时间信息的精度是有代价的。研究人员越精确地确定其运动发生的时刻，其量子波包在空间中的扩展范围就越大。

为了在实验中检验这种关系，研究团队在表面放置了一个单原子，用以在激光脉冲到达前，将电子波包限制在极其微小的区域内。

这一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联系。

值得注意的是，即便电子从激光脉冲中获得了相当大的能量，其波包仍能保持足够的局域性，满足原子级空间分辨率和阿秒级时间分辨率显微成像的要求。

这些发现为科学家此前仅能推测的一种基本空间-时间约束提供了实验依据。它们也使得系统性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。

量子电子器件能否提速数十万倍？

除了揭示量子行为的新层面外，这一发现还可能为开发工作速度远超当今电子器件能力的技术打开大门。

一个尤为令人期待的可能性，是利用精确控制的电子波包来影响化学反应。

将单个电子转移到一个分子上，代表着电荷转移的最小单位。但当这个电子被集中在极其微小的空间和时间区域内时，所产生的局部峰值电流密度可达每平方厘米1万亿安培。

如此极端的条件可能为科学家提供控制化学键的新方式，并观察分子在反应过程中的变化。

“未来，我们希望利用这样的波包有针对性地触发化学反应，并在相关的长度和时间尺度上观察化学键是如何被打断或改变的，”Jascha Repp教授兴奋地解释道。

这一发现的意义可能远不止于化学领域。对电子运动更强的控制能力，最终或许能帮助工程师开发出运行速度接近电子动力学本征极限的电子器件和量子信息系统。

“从长远来看，这些认识也有可能有助于让电子器件和量子信息处理，以电子运动本身的本征速度极限来运行——比目前主导的CMOS技术快数十万倍，”Rupert Huber教授补充道。

这种可能性目前仍是一个长期的技术目标，而非当前实验已经实现的成果。不过，这些发现为探索如何在最小的距离和最短的时间尺度上操控电子，提供了新的基础。

对Repp和Huber而言，这些结果表明潜在应用的范围极为广阔。他们认为，未来在空间-时间极限下控制电子的进展，最终或许将更多取决于人类的创造力，而非自然法则所施加的约束。