超越海森堡不确定性原理：科学家首次观测到电子运动“时空极限”，揭示位置与时间无法同时精确测定 - 世界杯赛程

一支科研团队首次在实验中观察到，电子的位置及其随时间的变化同样存在无法同时精确测定的限制，他们将这一新现象命名为“时空极限”。

这项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合作的研究，成果于7月3日发表在《自然 · 光子学》期刊上。研究揭示，在尝试同时提高电子运动时间与空间位置测量精度时，会呈现出类似于量子力学中的权衡关系：对电子运动时间的确定越精确，其量子波包在空间中的局限性就越难保持。

参与此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 等教授，以及由 Angel Rubio 领导的马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所团队。论文的第一作者 Simon Maier 与其同事利用一种结合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。

相较于能提供高分辨率静态图像的传统显微镜，这种新型技术能够记录电子在阿秒（十亿分之一秒的十亿分之一）这一极短时间尺度内的变化。在如此短暂的时间内，电子能够跨越原子尺度的距离，而原子本身基本保持静止，因此需要类似“超高速摄像机”的设备来捕捉这一过程。

尽管 RUN 研究团队先前已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪过单个分子的运动，但电子的运动速度比原子和分子快约1000倍，观测难度更大。在此次实验中，研究团队开发了新型激光系统，能够产生精确同步的光脉冲，从而精确控制金属尖端与银表面之间电子的运动，实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

实验中的电子并非经典粒子那样沿固定轨迹运动，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，来反推出电子发生隧穿的具体时间。这一过程被比喻为一台用于观察电子波包运动的高速摄像机。

实验结果显示，电子对激光场变化的响应并非瞬时，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证实了这一实验结果，进一步验证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散情况。他们发现，若要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，而这会增加电子波包在空间中的扩散范围。这意味着，提高时间精度将导致空间定位能力的下降，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，利用其作为微小的空间限制结构，在激光脉冲作用前帮助约束电子波包的位置。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，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，实现了阿秒时间分辨率与埃尺度空间分辨率的结合。

这项研究主要聚焦于基础量子动力学问题，但其技术未来可能对电子器件、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，单个电子转移代表了最小尺度的电荷移动过程，若能在极短时间和极小空间范围内对其进行控制，将有助于科学家研究如何精确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前沿。Rupert Huber 教授认为，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。