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 - 世界杯买球网

一项由德国雷根斯堡大学和马克斯 · 普朗克学会联合进行的研究，首次通过实验证实了电子运动存在一种“时空极限”，即无法同时精确测定电子的位置和运动时间。这一发现已于 7 月 3 日在《自然 · 光子学》期刊上发表。

研究人员通过光波驱动扫描隧道显微镜结合阿秒时间分辨技术，观测了单个电子在穿越能量势垒时的量子隧穿过程。他们发现，当试图同时提高电子运动时间和空间位置的测量精度时，会存在一种权衡关系，类似于量子力学中的不确定性原理。具体来说，越精确地确定电子运动的时间，其在空间中的定位就越模糊。

该研究团队由雷根斯堡大学 RUN 中心的 Jascha Repp、Rupert Huber、Franz Giessibl、Klaus Richter 以及马克斯 · 普朗克汉堡结构与动力学研究所的 Angel Rubio 领导。论文第一作者为 Simon Maier。

传统显微镜无法捕捉阿秒（10^-18 秒）尺度下电子的快速运动。为了克服这一挑战，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，并对金属尖端与银表面之间的电子运动进行阿秒级测量。

实验中，电子被视为量子波包，而非经典粒子。研究人员利用延迟的近红外激光脉冲操控电子波包，并通过测量电流变化来推断电子隧穿的时间。这一过程相当于一台观测电子波包运动的“超高速摄像机”。

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 · 普朗克汉堡团队的量子模拟也证实了这一时间响应特征。

进一步的测量揭示了“空间-时间极限”的存在。研究人员发现，为了更精确地确定电子转移的时间，需要注入更多能量，但这会导致电子波包在空间中扩散得更广，从而降低了空间定位的精度。

为了直接验证这一关系，研究团队在银表面放置了单个铜原子作为空间约束。结果表明，即使在强激光激发下，电子波包也能保持相对局限，从而实现了阿秒时间分辨率与埃尺度空间分辨率的结合，并成功对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，但其技术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。研究人员认为，对电子运动本征速度的深入理解，可能为未来以电子速度为极限的电子设备和量子信息技术奠定基础。