1980년대 후반 미국의 물리학자 즈웨일이 개발했다. 화학반응은 물질에 일어나는 변화의 원인이다.

화학반응은 분자들이 충돌해 분자 속의 원자들을 붙들고 있는 결합 중 일부가 끊어질 때 일어난다. 원래의 물질 속에 들어 있는 원자들 또는 원자단들이 재배열되고, 새로운 결합들이 생겨남으로써 새로운 물질이 만들어진다. 반응 속도는 일반적으로 온도가 높아질수록 빨라진다. 온도가 높아지면 분자들에게 에너지가 전달되어 분자들이 더 빨리 움직이게 된다. 분자들이 보통 온도에서 충돌할 때에는 그냥 튕겨나가기만 할 뿐 아무 반응이 일어나지 않는다. 그러나 고온에서는 충돌이 아주 격렬하게 일어나기 때문에 분자들이 서로 반응해 새로운 분자가 만들어진다. 과학자들은 분자들이 반응을 일으키기 위해서는 눈에 보이지 않는 에너지 장벽을 뛰어넘도록 활성화되어야 한다고 오랫동안 믿어왔다. 하지만 과학자들은 그 장벽을 넘어 이동하는 분자의 운동이나 장벽의 꼭대기(전이상태라고 부르는 조건)에서 분자가 취하는 형태, 또는 최초의 반응물에서 최종 생성물로 반응이 진행되는 아주 짧은 중간단계에서 생성되는 중간 생성물에 대해서는 거의 아는 것이 없었다. 많은 과학자들은 전이상태와 중간 생성물은 대개 10~100fs(펨토초:1펨토초는 10-15초)라는 아주 짧은 시간 동안만 지속되기 때문에 화학반응이 일어나는 중간 과정에 일어나는 일들을 연구하는 것은 불가능하다고 여겼다. 이 문제를 해결한 기술이 펨토초 분광학이다.

펨토초 분광학에서는 연구 대상인 분자들을 진공상자 속에서 혼합한다. 그러면 초고속 레이저가 2가닥의 펄스로 발사된다. 펌프 펄스(pump pulse)라고 부르는 첫번째 펄스는 분자들에게 전이상태에 이르는 에너지 장벽을 올라가게 하는 에너지를 제공한다.

탐사 펄스(probe pulse)라고 부르는 좀더 약한 2번째 펄스는 원래의 분자들 또는 변형된 형태의 분자들을 포착하는 데 필요한 파장에 맞추어져 있다. 펌프펄스는 반응을 시작시키고, 탐사펄스는 반응의 진행과정을 조사한다. 이때 분자들로부터 특징적인 스펙트럼, 즉 빛의 형태를 분석함으로써 과학자들은 중간 생성물뿐만 아니라 전이상태에 있는 분자들의 구조를 결정할 수 있다. 펨토초 분광학은 기체, 유체, 고체의 표면 또는 중합체에서 일어나는 과정들을 연구하는 것으로 범위를 넓히고 있다. 이 기술의 응용분야는 촉매의 작용을 이용하는 방법과 분자의 전기적 성분들을 설계하는 방법에서부터 생명 과정의 가장 미묘한 메커니즘과 미래의 의약품을 만드는 방법에 이르기까지 광범위하다.