研究背景
自旋三線態是光化學領域的一個重要課題，在分子光催化、光電子學、量子傳感、量子生物學和自旋化學等領域具有廣泛應用。與傳統的材料系統相比，自旋三線態的復合過程可以通過量子控制進行精確操控。然而，在純分子系統中，由于其相對較弱的磁場效應，控制三線態復合產率一直面臨挑戰。近年來，隨著量子點（QDs）等新型納米材料的出現，利用這些材料構建雜化自由基對（RPs）系統，借助量子限制效應和強交換耦合，極大地提升了自旋控制的效率，尤其是在室溫下。這為深入理解和操控自旋三線態的形成提供了新的技術平臺，也為相關領域的應用帶來了新的機遇。在此，中國科學院大連化物所吳凱豐團隊在“Nature Materials”期刊上發表了題為“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”的最新論文。該團隊設計并制備了由半導體量子點與有機分子構成的雜化自由基對系統。通過調節量子點的組成和大小，成功實現了自旋量子相干拍頻的觀測，并通過量子點的量子限制效應，增強了自由基對之間的交換耦合，從而大幅度提升了三線態產率的控制效率。利用該系統，研究人員顯著提高了電荷復合過程的調控能力，在室溫下實現了對三線態產物復合產率的高效調節，最大提升程度達到了400%。這一發現不僅推動了量子點-分子雜化體系在量子控制和光化學反應中的應用，還為量子生物學、分子光電子學等領域提供了新的技術思路和實驗依據。
研究亮點
1.實驗首次構建了由半導體量子點和有機分子組成的雜化自由基對（RPs），并直接觀測到了自由基對量子態間的相干拍頻2.通過利用量子點的量子限制效應，實驗實現了自由基對之間的強交換耦合，從而加速了自旋量子拍頻的過程。3.實驗發現，在較大的g因子差異下，能夠直接觀察到自由基對量子態間的相干拍頻，這是以往研究中難以觀測到的現象。4.通過調節外部磁場，實驗能夠高效且相干地控制自由基對的電荷復合動力學，尤其是在室溫條件下。5.實驗結果表明，三線態產物的產率提升程度高達400%，展示了量子點-分子雜化自由基對在自旋控制和光化學反應中的巨大潛力。
圖文解讀
圖1：CdSe(S) QD-AZ雜化體系的光譜表征與動力學過程。圖2：3.1nm CdSe QD-AZ體系磁場效應的觀測及動力學分析。圖4：通過改變QDs的尺寸和組成對雜化自由基對磁場效應的調控。
結論展望
本研究清晰地展示了量子點-分子雜化自由基對（QD-分子RPs）在磁場調制光化學反應中的“量子優勢”。通過調節量子點的大小和組成，能夠輕松調節對光化學三線態生成的強磁場效應（MFE），為相干控制涉及三線態物種的分子光電子器件性能提供了新的途徑。此外，量子點-分子雜化自由基對可能成為一個重要平臺，將分子量子科學與固態量子平臺相結合，為新型量子處理和傳感技術提供支持。Liu, M., Zhu, J., Zhao, G. et al. Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids. Nat. Mater. (2025).https://doi.org/10.1038/s41563-024-02061-1
