7 月 18 日訊息，在量子力學中，海森堡不確定性原理早已劃定了一條根本界限：粒子的位置與動量無法同時被精確測定，但位置與時間之間並不存在這樣的不確定性關係電子。這種限制並非來自儀器精度不足，而是量子系統本身的基本屬性。
如今，一支研究團隊首次透過實驗觀測到，電子的位置與其時間演化同樣無法以任意精度同時測定 —— 他們將這一新發現稱為“時空極限”電子。
德國雷根斯堡大學雷根斯堡超快奈米成像中心（Regensburg Center for Ultrafast Nanoscopy，RUN）聯合德國馬克斯 · 普朗克學會漢堡結構與動力學研究所（Max Planck Institute for the Structure and Dynamics of Matter）研究團隊，於 7 月 3 日在《自然 · 光子學》（Nature Photonics）發表論文，宣佈首次透過實驗觀測到電子運動中的“空間-時間極限”（space-time limit）電子。
研究顯示，當科學家試圖同時提高電子運動時間和空間位置的測量精度時，會出現類似量子力學限制的權衡關係：越精確確定電子何時發生移動，其量子波包在空間中的分佈就越難保持高度侷限電子。
參與研究的團隊包括雷根斯堡大學 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 等教授，以及馬克斯 · 普朗克漢堡結構與動力學研究所 Angel Rubio 領導的研究人員電子。論文第一作者為 Simon Maier，研究人員利用結合阿秒時間分辨技術的光波驅動掃描隧道顯微鏡（lightwave-driven scanning tunneling microscopy），觀察單個電子透過能量勢壘發生量子隧穿時的動態過程。
研究人員指出，傳統顯微鏡可以提供物質結構的高解析度靜態影像，但無法記錄電子在極短時間尺度內的變化電子。電子運動通常發生在阿秒尺度，即十億分之一秒的十億分之一。在這一時間範圍內，電子能夠跨越原子尺度距離，而原子本身幾乎不會發生明顯移動，因此需要類似“超高速攝像機”的技術才能捕捉相關過程。
此前，RUN 研究團隊已經利用超快掃描隧道顯微技術追蹤過單個分子的運動，但電子的觀測難度更高，因為電子在這些尺度上的運動速度大約比原子和分子快 1000 倍電子。此次實驗中，研究人員開發了能夠產生精準同步光脈衝的新型雷射系統，透過控制金屬尖端與銀表面之間的電子運動，實現對電子隧穿過程的阿秒級測量。
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實驗裝置中的電子並不是像經典物理描述中的微小粒子一樣沿固定軌跡運動，而是以量子波的形式存在電子。研究人員利用兩束存在時間延遲的近紅外雷射脈衝改變電子運動狀態，並透過測量產生的電流變化，反推出電子發生隧穿的具體時間。研究人員表示，該過程可以被理解為一臺用於觀察電子波包運動的高速攝像機。
實驗結果顯示，電子並不會立即響應雷射場變化，而是存在約 500 阿秒的延遲電子。馬克斯 · 普朗克漢堡研究團隊進行的量子模擬也復現了實驗結果，進一步驗證了電子運動過程中的時間響應特徵。
研究團隊隨後進一步測量了電子波包在空間中的擴充套件情況電子。他們發現，如果希望更加準確地確定電子轉移發生的時間，就需要向系統提供更多能量，而增加的能量會導致電子波包在空間中擴散範圍擴大。這意味著，時間精度提升會伴隨空間定位能力下降，形成此次實驗觀察到的“空間-時間極限”。
為了直接測量這一關係，研究人員在銀表面放置了單個銅原子，使其作為微小的空間約束結構，在雷射脈衝作用前幫助限制電子波包的位置電子。實驗結果表明，即使在強雷射激發條件下，電子波包仍能保持足夠侷限，從而支援原子尺度成像。研究人員利用這一方法對銀表面的單個銅原子進行了成像，實現了阿秒時間解析度與埃尺度空間解析度的結合。
這項研究主要針對基礎量子動力學問題，但相關技術未來可能影響電子器件、量子資訊處理以及化學反應控制等方向電子。研究人員表示，單個電子轉移代表最小尺度的電荷移動過程，如果能夠在極短時間和極小空間範圍內控制這種轉移，可能幫助科學家研究如何精準觸發化學鍵斷裂或形成。
研究團隊還表示，進一步理解電子運動的本徵速度，有助於探索未來電子技術的發展邊界電子。Rupert Huber 教授指出，這類研究可能為未來以電子自身運動速度作為極限的電子裝置和量子資訊處理技術提供基礎。IT之家附論文地址：
