但位置和时间则不同。海森堡不确定性原理并未对这些量施加同样的限制。如今，研究人员通过实验证明了另一种基本限制：电子的位置及其随时间的行为无法同时被以任意精度确定。这一新观测到的关系被称为“时空极限”，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，涉及雷根斯堡超快纳米成像中心（RUN）的研究团队——由Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl和Klaus Richter教授领导，以及汉堡马克斯·普朗克研究所由Angel Rubio领导的团队。
观察以惊人速度运动的电子
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器件的进步，都依赖于了解化学反应如何展开、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，即使是最JianCe的显微照片也无法呈现完整的图景。科学家还需要观察这些过程如何随时间变化，实际上就是为原子尺度上发生的事件制作慢动作影片。
在RUN，研究人员正在开发超快显微镜，能够在空间和时间上以非凡的精度记录电子、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了单个分子的运动。
追踪单个电子则更具挑战性。在这些微观距离上，电子的运动速度大约比原子和分子快一千倍，重要的变化仅在阿秒（attosecond）时间内发生。
要体会这些尺度有多极端，可以考虑一下：原子比一毫米小约一千万倍。一阿秒是一秒的十亿分之一的十亿分之一。一阿秒与一秒之间的差异，相当于一秒与整个宇宙年龄之间的差异。
进行这些测量尤其困难，因为电子不像普通物体那样运动。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规则。
超快激光揭示量子隧穿
为了在这些非凡的速度下观察电子行为，研究人员构建了一套新的激光系统，其时间分辨率比早期实验精细得多。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，精确计时的激光脉冲将电子从一个极其尖锐的金属针尖驱动至银表面。电子穿行的距离仅为几个原子直径。
研究人员通过测量由此产生的电流来探测这一运动。为了精确确定电子何时移动，他们使用两束间隔经过精确控制的光脉冲。
论文的第一作者Simon Maier解释说：“通过改变两个激光脉冲之间的时间间隔，我们可以直接观察电子如何响应。”
这一方法清楚地揭示了在阿秒时间尺度上发生的电子运动。结果表明，激光脉冲可以在这些极其短暂的时间间隔内传输电子，同时让科学家实时观察这一过程。
使这一结果尤为引人注目的是电子的行进方式。它们不像传统粒子那样运动，而是表现得像量子波。这使它们能够穿过将金属针尖与银表面隔开的能量势垒，尽管经典物理学预言它们没有足够的能量越过势垒。
这一现象被称为量子隧穿，有点像一个物体在不破坏、不损伤一堵实心墙的情况下穿过它。
“我们的测量可以理解为电子波包的高速相机，因为你可以看到隧穿过程在哪个时间点发生，”论文合著者、博士生Katharina Glöckl解释道。
出人意料的500阿秒延迟
为了更深入地理解这些测量结果，Angel Rubio教授领导的研究人员对电子在“时空极限”附近的行为进行了精密的量子模拟。
他们的计算很好地重现了实验结果，并揭示了另一个引人注目的细节。电子并非瞬时响应光场，而是其运动滞后于光场约500阿秒。
在如此极端的尺度下，量子物理学的几个基本特性会同时变得重要。
例如，研究人员发现，激光脉冲无法完全用光的波动描述或完全用称为光子的单个粒子描述来解释。其效应同时表现出两种描述的特征。这种结合对于在如此接近“时空极限”的条件下探索电子行为至关重要。
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。量子力学用波包来描述这些电子，波包代表了它们的波动性质在不同位置上的延展方式。
电子运动的时间与这些波包空间延展之间的关系，揭示了这一发现背后的核心限制。
空间与时间之间的隐性权衡
该研究的另一位合著者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散得更广。”
换言之，提高电子计时的精度是有代价的。研究人员对其运动发生时间的界定越严格，其量子波包在空间中的扩散就越广。
为了通过实验检验这一关系，研究团队在激光脉冲到达之前，将一个单原子置于表面之上，将电子波包限制在一个极小的区域内。
这一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，即使电子从激光脉冲中获得大量能量，其波包仍然保持在足够局域化的状态，以实现具有原子级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有所猜测的一种基本时空约束提供了实验层面的认识。它们还使得系统地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。
量子电子学的速度能否提高数十万倍？
除了揭示量子行为的新面貌外，这一发现还可能为在远超当今电子学能力的时间尺度上运行的技术打开大门。
一个尤其有前景的可能性是利用精确控制的电子波包来影响化学反应。
将单个电子转移到分子上代表了最小可能的电荷转移。但当该电子被集中于一个极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。
这种极端条件可以为科学家提供控制化学键以及观察反应过程中分子如何变化的新方法。
“未来，我们希望利用这种波包来特异性地触发化学反应，并在相关的长度和时间尺度上观察化学键如何断裂或改变，”Jascha Repp教授满怀热情地解释道。
其影响可能远远超出化学领域。对电子运动更强的控制最终可能帮助工程师开发出以接近电子动力学基本极限的速度运行的电子器件和量子信息系统。
“从长远来看，所获得的见解还有助于使电子学和量子信息处理以电子运动本身的固有限速运行——比目前占主导地位的CMOS技术快数十万倍，”Rupert Huber教授补充道。
这一可能性仍然是一个长期的技术目标，而非当前实验已实现的成果。尽管如此，这些发现为探索如何在最小距离和最短时间尺度上操纵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其广泛。他们相信，在时空极限上控制电子的未来进展，最终可能更多地取决于人类的创造力，而非自然界施加的限制。