「這是所有化學的核心，是我們認為的聖杯，因為它控制了所有化學反應，」帶領這項研究的SLAC/斯坦福SUNCAT界面科學與催化中心教授、現位於瑞典斯德哥爾摩大學的安德斯.尼爾森（Anders Nilsson）這樣說道。「但是在任何一個特定時刻，處於這一過渡階段的分子是少之又少，因此沒有人預料我們能觀察到這一現象。」
科學家首次實驗觀測到化學鍵的產生過程
明亮快速的雷射脈衝實現了不可能
這一實驗是在SLAC國家加速器實驗室的直線加速器連貫光源(Linac Coherent Light Source，簡稱LCLS)裡進行的。它發出的明亮、類似頻閃觀測器的X射線雷射脈衝足夠短可以照亮原子和分子，但又足夠快能夠以從未想過的方式觀測到這一化學反應的進行。
研究人員使用LCLS研究了在催化轉化器裡中和汽車尾氣的一氧化碳。這一反應發生在催化劑表面，後者會吸附一氧化碳和氧原子並使得它們更輕易的配對形成二氧化碳。
在SLAC實驗裡，研究人員將一氧化碳和氧原子放在釕催化劑表面並利用雷射器發出的脈衝促使兩者發生反應。雷射脈衝將催化劑加熱至2000開爾文（1726.85 攝氏度），導致依附的化學物質振動，從而極大的增加了它們相撞並結合的概率。
研究小組利用LCLS的X射線雷射脈衝觀察了這個過程，這一設備檢測了發生在飛秒或者千萬億分之一秒的時間內原子裡電子分布的變化——這是化學鍵形成的微妙跡象。「首先，氧原子激活，之後一氧化碳也被激活，」 尼爾森說道。「它們開始振動，到處移動。然後，大概在萬億分之一秒內它們開始碰撞並形成這些過渡階段。」
「推彈珠上山」
研究人員很驚訝的發現這麼多反應物進入過渡狀態，並更驚訝的發現只有一小部分最終形成了穩定的二氧化碳，剩餘的再次分解了。「這就像推彈珠上山，大多數到達山頂的彈珠最終又會滾下山。」 尼爾森說道。「我們所見證的是很多次嘗試，但只有非常少的化學反應會產生最終結果。細節理解我們所觀測到的結果還需要更多努力。」
理論在這項實驗裡起著關鍵作用，它使得研究小組可以預測可能的結果以及應該尋找的方向。「這是理論化學家超級有趣的渠道，它將開啟全新的領域。」研究合作作者、SLAC和SUNCAT的弗蘭克·阿比爾德-佩德森（Frank Abild-Pedersen）這樣說道。
由斯德哥爾摩大學的助理教授亨瑞克·奧斯特羅姆（Henrik Öström）帶領的科研小組對如何利用雷射器引發化學反應進行了初步研究。斯德哥爾摩大學的拉爾斯·皮特森（Lars G.M. Pettersson）教授帶領進行了理論光譜的計算，皮特森教授與尼爾森教授一直保持長期密切的合作。
在SLAC斯坦福同步輻射光源(Stanford Synchrotron Radiation Lightsource。簡稱SSRL)進行的初步試驗也被證明是至關重要的。由SSRL的裕仁小笠原（Hirohito Ogasawara）和SUNCAT的傑瑞·拉呂（Jerry LaRue）帶領的實驗小組利用密集的X射線束測量了化學反應物的特徵，這使得研究人員可以正確的確定LCLS裡的一切事物，LCLS裡的光束時間更加稀缺。「沒有SSRL這一切都不可能，」尼爾森說道。
研究小組已經開始測量其它能夠產生工業裡重要化學物質的催化反應裡的過渡狀態。「這極其重要，因為它提供了我們設計新催化劑原則的科學基礎的新見解。」SUNCAT的主任、研究合作作者延斯·內斯科烏（Jens Nørskov）這樣說道。