博客

一支国际研究团队首次在实验中观察到，电子运动的精确位置与其运动时间同样无法同时被精确测量，他们将此现象命名为“时空极限”。这一突破性发现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的研究人员共同完成。

该研究成果已于 7 月 3 日发表在《自然 · 光子学》期刊上。研究揭示，在试图同时提升电子运动时间和空间位置测量精度的过程中，存在一种类似于量子力学中的权衡关系：对电子运动时间了解得越精确，其量子波包在空间中的分布就越难以精确界定。

研究团队由雷根斯堡大学 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 教授领导。Simon Maier 作为论文的第一作者，团队利用了结合阿秒时间分辨技术的光波驱动扫描隧道显微镜，成功观测了单个电子在穿越能量势垒时的量子隧穿动态过程。

与传统显微镜只能提供静态图像不同，电子的运动发生在阿秒（10 的负 18 次方秒）这一极短的时间尺度上，其速度远超原子和分子的移动速度。此次研究克服了观测电子运动的巨大技术挑战，开发了能产生精确同步光脉冲的新型激光系统，实现了对电子隧穿过程的阿秒级测量。

实验中，电子并非以经典粒子轨迹运动，而是表现为量子波的形式。研究人员通过使用具有时间延迟的近红外激光脉冲来调控电子的运动状态，并测量由此产生的电流变化来反推出电子隧穿的具体时间，整个过程如同一个观察电子波包运动的“超高速摄像机”。

实验结果表明，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这一时间响应特征。

研究人员进一步测量了电子波包在空间中的扩散情况，发现提高时间测量精度需要增加系统能量，这反而会导致电子波包在空间中的扩散范围增大。这种时间精度提升与空间定位能力下降的权衡，构成了此次实验观察到的“空间-时间极限”。

为了更直接地验证这一关系，研究人员在银表面放置了单个铜原子作为空间约束结构，以限制电子波包在激光脉冲作用前的初始位置。实验结果显示，即使在强激光激发下，电子波包仍能保持相对局限，从而实现了阿秒时间分辨率与埃（Ångström）尺度空间分辨率的结合，并成功对银表面的单个铜原子进行了成像。

这项研究虽然主要关注基础量子动力学问题，但其技术潜力有望在未来应用于电子器件、量子信息处理和化学反应控制等领域。研究人员指出，精确控制最小尺度的电荷转移过程，可能为理解和调控化学键的形成与断裂提供新途径。

此外，对电子运动固有速度的深入理解，也可能为设计以电子运动速度为极限的电子设备和量子信息技术奠定基础，这对于探索未来电子技术的发展边界具有重要意义。