2026年7月3日——维尔纳·海森堡著名的测不准原理描述了量子物理学最引人入胜的特征之一：描述粒子的某些物理量对，例如位置和动量，无法同时以任意精度确定——这并非因为测量仪器不精确，而是因为自然规律本身禁止如此。然而，在位置与时间之间，并不存在海森堡测不准原理。由雷根斯堡大学RUN研究中心的Jascha Repp教授、Rupert Huber教授、Franz Giessibl教授和Klaus Richter教授领导的多个小组，以及汉堡马克斯·普朗克研究所由Angel Rubio领导的团队组成的一个研究小组，首次观测到电子的位置和时间演化无法同时以任意精度测量。这一所谓的“时空极限”对未来应用具有重要意义。

从绿色科技、量子技术到用于人工智能的高性能电子设备，许多未来技术都需要精确理解物质在微观层面如何运作：化学反应如何发生、光与物质如何相互作用、以及电子如何在电子元件中移动。仅凭物质微观构建块的高分辨率静止图像是不够的；更需要的是来自纳米宇宙的时间分辨慢动作电影。

在雷根斯堡超快纳米镜中心，研究人员开发并使用超快显微镜，以最高可能的空间和时间分辨率，直接捕捉电子、原子和分子在微观慢动作电影中的运动。十年前在雷根斯堡，科学家首次利用超快扫描隧道显微镜解析了单个分子在空间和时间上的运动。与原子和分子相比，在这个长度尺度上，电子的运动速度快一千倍——即处于阿秒时间尺度。数量级是极端的：一个原子大约比一毫米小一千万倍，而一阿秒是十亿分之一秒的十亿分之一。因此，一阿秒相对于一秒，就像一秒相对于宇宙的年龄。特别令人着迷的是，电子运动并不遵循经典力学定律，而是遵循奇异的量子物理规则。

为了实现相对于以往实验的时间分辨率提升，并直接成像和控制单个电子的量子动力学，研究人员开发了一种新型激光系统。利用其激光脉冲，他们以这些极端时间尺度控制电子运动，使得电子从一个原子级尖锐的金属尖端转移到距离仅几个原子直径的银表面。这些电子运动被测量为电流，而时间信息则通过使用两个光脉冲获得。

论文第一作者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。”以此方式观察到的电子运动展现出阿秒时间尺度上的特征——这意味着光脉冲可以在这些时间尺度上转移电子，并且人们可以观察电子如此运动的过程。特别之处在于，电子并非像经典粒子那样运动。相反，作为量子力学波，电子穿透尖端与样品之间的能量势垒，而根据经典物理学定律，它们实际上并不具备足够的能量来完成这一过程。它们“隧穿”通过势垒，就像穿过一堵巨大墙壁而不将其摧毁一样。“我们的测量可以理解为针对电子波包的‘高速摄像机’，因为你可以看到隧穿过程发生在哪个时间点，”博士研究生、论文合著者Katharina Glöckl解释道。

为了更深入地理解“时空极限”下的微观电子动力学，Angel Rubio教授团队进行了复杂的量子模拟。这些计算以惊人的准确性解释了实验结果。它们还表明，电子并非立即跟随光场，而是存在500阿秒的微小延迟。

在这个最小空间和时间尺度的前沿区域，量子物理学的基本物理极限在多个层面上变得明显。例如，激光脉冲的效应无法明确归因于光的波动图像或光子图像，而是兼具两者的特征——而这正是研究人员能够如此深入地深入到“时空极限”的原因。当电子在如此短的时间尺度上被光脉冲驱动时，这会对电子的空间分布产生复杂影响，在量子力学中这被描述为波包。

论文的另一位合著者Raffael Spachtholz解释说：“我们越想精确地确定电子在时间上的位置，就需要提供越多的能量。结果，电子波包在空间上扩展得更大。”该团队利用放置在表面的单个原子，在光脉冲到达之前将电子波包原子级地约束起来，研究了这一关系。这使他们能够直接确定电子波包的空间扩展与时间扩展之间的关系。幸运的是，尽管受到强烈激发，电子波包仍能保持足够的空间清晰度，从而实现在阿秒时间尺度上的原子级分辨率显微镜成像。

借助这一最新突破，该团队正在推动此前仅被模糊猜测的量子力学电子波函数时空极限的边界，旨在首次系统地研究电子时间动力学如何塑造其波函数的空间结构。这也为应用开辟了全新的可能性。例如，将电子转移到一个分子上对应于最小可能的电荷转移；然而，如果将电子限制在一个极小的时空体积内，这则对应于高达每平方厘米1万亿安培的极高局部峰值电流密度。“未来，我们希望利用此类波包有目的地触发化学反应，并在相关的长度和时间尺度上观察化学键如何被破坏或改变，”Jascha Repp教授热情地解释道。“从长远来看，所获得的见解也有助于在电子运动本身的固有速度极限下运行电子器件和量子信息处理——速度比当前占主导地位的CMOS技术快数十万倍，”Rupert Huber教授补充道。两位项目负责人一致认为，在时空极限下电子的潜在应用如今更多地受限于人类的想象力，而非自然。