研究背景
自旋三線態(tài)是光化學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)重要課題，在分子光催化、光電子學(xué)、量子傳感、量子生物學(xué)和自旋化學(xué)等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的材料系統(tǒng)相比，自旋三線態(tài)的復(fù)合過(guò)程可以通過(guò)量子控制進(jìn)行精確操控。然而，在純分子系統(tǒng)中，由于其相對(duì)較弱的磁場(chǎng)效應(yīng)，控制三線態(tài)復(fù)合產(chǎn)率一直面臨挑戰(zhàn)。近年來(lái)，隨著量子點(diǎn)（QDs）等新型納米材料的出現(xiàn)，利用這些材料構(gòu)建雜化自由基對(duì)（RPs）系統(tǒng)，借助量子限制效應(yīng)和強(qiáng)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(tài)的形成提供了新的技術(shù)平臺(tái)，也為相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用帶來(lái)了新的機(jī)遇。在此，中國(guó)科學(xué)院大連化物所吳凱豐團(tuán)隊(duì)在“Nature Materials”期刊上發(fā)表了題為“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”的最新論文。該團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)并制備了由半導(dǎo)體量子點(diǎn)與有機(jī)分子構(gòu)成的雜化自由基對(duì)系統(tǒng)。通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的組成和大小，成功實(shí)現(xiàn)了自旋量子相干拍頻的觀測(cè)，并通過(guò)量子點(diǎn)的量子限制效應(yīng)，增強(qiáng)了自由基對(duì)之間的交換耦合，從而大幅度提升了三線態(tài)產(chǎn)率的控制效率。利用該系統(tǒng)，研究人員顯著提高了電荷復(fù)合過(guò)程的調(diào)控能力，在室溫下實(shí)現(xiàn)了對(duì)三線態(tài)產(chǎn)物復(fù)合產(chǎn)率的高效調(diào)節(jié)，最大提升程度達(dá)到了400%。這一發(fā)現(xiàn)不僅推動(dòng)了量子點(diǎn)-分子雜化體系在量子控制和光化學(xué)反應(yīng)中的應(yīng)用，還為量子生物學(xué)、分子光電子學(xué)等領(lǐng)域提供了新的技術(shù)思路和實(shí)驗(yàn)依據(jù)。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次構(gòu)建了由半導(dǎo)體量子點(diǎn)和有機(jī)分子組成的雜化自由基對(duì)（RPs），并直接觀測(cè)到了自由基對(duì)量子態(tài)間的相干拍頻2.通過(guò)利用量子點(diǎn)的量子限制效應(yīng)，實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)了自由基對(duì)之間的強(qiáng)交換耦合，從而加速了自旋量子拍頻的過(guò)程。3.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在較大的g因子差異下，能夠直接觀察到自由基對(duì)量子態(tài)間的相干拍頻，這是以往研究中難以觀測(cè)到的現(xiàn)象。4.通過(guò)調(diào)節(jié)外部磁場(chǎng)，實(shí)驗(yàn)?zāi)軌蚋咝蚁喔傻乜刂谱杂苫鶎?duì)的電荷復(fù)合動(dòng)力學(xué)，尤其是在室溫條件下。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，三線態(tài)產(chǎn)物的產(chǎn)率提升程度高達(dá)400%，展示了量子點(diǎn)-分子雜化自由基對(duì)在自旋控制和光化學(xué)反應(yīng)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(dòng)力學(xué)過(guò)程。圖2：3.1nm CdSe QD-AZ體系磁場(chǎng)效應(yīng)的觀測(cè)及動(dòng)力學(xué)分析。圖3：量子拍頻的理論模擬及實(shí)驗(yàn)觀測(cè)。圖4：通過(guò)改變QDs的尺寸和組成對(duì)雜化自由基對(duì)磁場(chǎng)效應(yīng)的調(diào)控。圖5：磁場(chǎng)調(diào)控的穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)。
結(jié)論展望
本研究清晰地展示了量子點(diǎn)-分子雜化自由基對(duì)（QD-分子RPs）在磁場(chǎng)調(diào)制光化學(xué)反應(yīng)中的“量子優(yōu)勢(shì)”。通過(guò)調(diào)節(jié)量子點(diǎn)的大小和組成，能夠輕松調(diào)節(jié)對(duì)光化學(xué)三線態(tài)生成的強(qiáng)磁場(chǎng)效應(yīng)（MFE），為相干控制涉及三線態(tài)物種的分子光電子器件性能提供了新的途徑。此外，量子點(diǎn)-分子雜化自由基對(duì)可能成為一個(gè)重要平臺(tái)，將分子量子科學(xué)與固態(tài)量子平臺(tái)相結(jié)合，為新型量子處理和傳感技術(shù)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
