I en berömd liknelse, tre blinda män möter en elefant för första gången. Varje berör en del - stammen, öra, eller sida — och drar slutsatsen att varelsen är en tjock orm, fläkt, eller vägg. Den här elefanten, sa Kang-Kuen Ni, är som kvantvärlden. Forskare kan bara utforska en cell av denna enorma, okänd varelse åt gången. Nu, Ni har avslöjat några fler att utforska.

Allt började i december förra året, när hon och hennes team färdigställde en ny apparat som kunde uppnå de kemiska reaktionerna med lägsta temperatur av någon för närvarande tillgänglig teknik och sedan bröts och bildade de kallaste bindningarna i molekylär kopplings historia. Men deras ultrakalla reaktioner bromsade också oväntat reaktionen till en långsam hastighet, ge forskarna en glimt i realtid av vad som händer under en kemisk omvandling. Nu, även om reaktioner anses vara för snabba att mäta, Ni avgjorde inte bara livslängden för den reaktionen, hon löste ett ultrakallt mysterium i processen.

Med ultrakall kemi, Ni, Morris Kahn docent i kemi och kemisk biologi och i fysik, och hennes team kylde två kalium-rubidium-molekyler till strax över absoluta nollpunkten och fann "mellanprodukten, "utrymmet där reaktanter omvandlas till produkter, levde i cirka 360 nanosekunder (fortfarande miljarddels sekund, men tillräckligt länge). "Det är inte reaktanten. Det är inte produkten. Det är något mittemellan, " sa Ni. När jag såg den förvandlingen, som att röra vid sidan av en elefant, kan berätta något nytt om hur molekyler, grunden för allt, arbete.

Men de tittade inte bara.

"Den här saken lever så länge att nu kan vi faktiskt bråka med den... med ljus, sa Yu Liu, en doktorand vid Graduate School of Arts and Sciences och första författare på sin studie publicerad i Naturfysik . "Typiska komplex, som de i en rumstemperaturreaktion, du skulle inte kunna göra så mycket med eftersom de dissocierar till produkter så snabbt."

Som Star Trek traktorbalkar, lasrar kan fånga och manipulera molekyler. I ultrakall fysik, detta är den bästa metoden för att fånga och kontrollera atomer, observera dem i deras kvantgrundtillstånd eller tvinga dem att reagera. Men när forskare gick från att manipulera atomer till att bråka med molekyler, något konstigt hände:molekyler började försvinna från synen.

"De förberedde dessa molekyler, hoppas kunna förverkliga många av de applikationer som de lovar – att bygga kvantdatorer, till exempel – men det de ser istället är förlust, " sa Liu.

Alkaliatomer, som kalium och rubidium Ni och hennes teamstudie, är lätta att kyla ner i den ultrakalla världen. 1997, forskare vann ett Nobelpris i fysik för att kyla och fånga alkaliatomer i laserljus. Men molekyler är knäppare än atomer:de är inte bara en sfärisk sak som sitter där, sa Liu, de kan rotera och vibrera. När de är fångade tillsammans i laserljuset, gasmolekylerna stötte mot varandra som förväntat, men en del försvann helt enkelt.

Forskare spekulerade att den molekylära förlusten berodde på reaktioner - två molekyler stötte ihop och, istället för att gå åt olika håll, de förvandlades till nya arter. Men hur?

"Det vi hittade i det här dokumentet svarar på den frågan, " sa Liu. "Det som du använder för att begränsa molekylen dödar molekylen." Med andra ord, det är ljusets fel.

När Liu och Ni använde lasrar för att manipulera det mellanliggande komplexet - mitten av deras kemiska reaktion - upptäckte de att ljuset tvingade molekylerna bort från deras typiska reaktionsväg och in i en ny. Ett par molekyler, fastnat som ett mellankomplex, kan bli "fotoexciterad" istället för att följa sin traditionella väg, sa Liu. Alkalimolekyler är särskilt känsliga på grund av hur länge de lever i sitt mellanliggande komplex.

"I grund och botten, om du vill eliminera förlust, " sa Liu, "du måste släcka ljuset. Du måste hitta ett annat sätt att fånga dessa saker." magneter, till exempel, eller elektriska fält kan fånga molekyler, för. "Men dessa är alla tekniskt krävande, " sa Liu. Ljus är bara enklare.

Nästa, Ni vill se vart dessa komplex tar vägen när de försvinner. Vissa våglängder av ljus (som det infraröda laget använde för att excitera sina kalium-rubidium-molekyler) kan skapa olika reaktionsvägar - men ingen vet vilka våglängder som skickar molekyler till vilka nya formationer.

De planerar också att utforska hur komplexet ser ut i olika stadier av omvandlingen. "För att undersöka dess struktur, " sa Liu, "vi kan variera ljusets frekvens och se hur graden av excitation varierar. Därifrån, vi kan ta reda på var energinivåerna för denna sak är, som informerar om dess kvantmekaniska konstruktion."

"Vi hoppas att detta kommer att fungera som ett modellsystem, " Ni sa, ett exempel på hur forskare kan utforska andra lågtemperaturreaktioner som inte involverar kalium och rubidium.

"Denna reaktion är, som många andra kemiska reaktioner, typ ett universum i sitt eget, " sa Liu. Med varje ny observation, teamet avslöjar en liten bit av den gigantiska kvantelefanten. Eftersom det finns ett oändligt antal kemiska reaktioner i det kända universum, det är fortfarande en lång lång väg att gå.