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 - 世界杯直播

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无法被同时精确测量，他们将这一现象命名为“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联合进行的研究，于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上公布了其关于电子运动“空间-时间极限”的实验发现。

研究揭示，在尝试同时提高对电子运动时间和空间位置测量精度的过程中，出现了一种类似于量子力学限制的权衡效应：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。

该研究由雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及马克斯·普朗克汉堡结构与动力学研究所的 Angel Rubio 领导的研究团队共同完成。论文的第一作者 Simon Maier 及其同事，运用了结合阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，来观察单个电子在量子隧穿过程中跨越能量势垒的动态行为。

研究人员指出，传统显微镜虽能提供物质结构的高分辨率静态图像，但无法捕捉电子在极短时间内的动态变化。电子的运动发生在阿秒尺度（10⁻¹⁸ 秒），在此期间电子可跨越原子尺度的距离，而原子本身几乎不动，因此需要类似“超高速摄像机”的技术来记录相关过程。

此前，RUN 研究团队已成功利用超快扫描隧道显微技术追踪了单个分子的运动。然而，观测电子的难度更大，因为电子在这些尺度上的运动速度比原子和分子快约千倍。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，通过控制金属尖端与银表面之间的电子运动，实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

在实验装置中，电子并非以经典粒子轨迹运动，而是以量子波的形式存在。研究人员利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，并通过测量产生的电流变化，反推出电子隧穿发生的精确时间。研究人员将这一过程比作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实验结果，进一步验证了电子运动过程中的时间响应特征。

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，而能量的增加会导致电子波包在空间中的扩散范围扩大。这意味着，提高时间精度会伴随空间定位能力的下降，形成了此次实验观察到的“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，将其作为微小的空间限制结构，在激光脉冲作用前帮助限制电子波包的位置。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，但其技术有望在未来影响电子器件、量子信息处理以及化学反应控制等领域。研究人员表示，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控制此过程，可能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，有助于探索未来电子技术的发展极限。Rupert Huber 教授指出，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。