研究背景
自旋三线态是光化学领域的一个重要课题，在分子光催化、光电子学、量子传感、量子生物学和自旋化学等领域具有广泛应用。与传统的材料系统相比，自旋三线态的复合过程可以通过量子控制进行精确操控。然而，在纯分子系统中，由于其相对较弱的磁场效应，控制三线态复合产率一直面临挑战。近年来，随着量子点（QDs）等新型纳米材料的出现，利用这些材料构建杂化自由基对（RPs）系统，借助量子限制效应和强交换耦合，极大地提升了自旋控制的效率，尤其是在室温下。这为深入理解和操控自旋三线态的形成提供了新的技术平台，也为相关领域的应用带来了新的机遇。在此，中国科学院大连化物所吴凯丰团队在“Nature Materials”期刊上发表了题为“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”的最新论文。该团队设计并制备了由半导体量子点与有机分子构成的杂化自由基对系统。通过调节量子点的组成和大小，成功实现了自旋量子相干拍频的观测，并通过量子点的量子限制效应，增强了自由基对之间的交换耦合，从而大幅度提升了三线态产率的控制效率。利用该系统，研究人员显著提高了电荷复合过程的调控能力，在室温下实现了对三线态产物复合产率的高效调节，最大提升程度达到了400%。这一发现不仅推动了量子点-分子杂化体系在量子控制和光化学反应中的应用，还为量子生物学、分子光电子学等领域提供了新的技术思路和实验依据。
研究亮点
1.实验首次构建了由半导体量子点和有机分子组成的杂化自由基对（RPs），并直接观测到了自由基对量子态间的相干拍频2.通过利用量子点的量子限制效应，实验实现了自由基对之间的强交换耦合，从而加速了自旋量子拍频的过程。3.实验发现，在较大的g因子差异下，能够直接观察到自由基对量子态间的相干拍频，这是以往研究中难以观测到的现象。4.通过调节外部磁场，实验能够高效且相干地控制自由基对的电荷复合动力学，尤其是在室温条件下。5.实验结果表明，三线态产物的产率提升程度高达400%，展示了量子点-分子杂化自由基对在自旋控制和光化学反应中的巨大潜力。
图文解读
图1：CdSe(S) QD-AZ杂化体系的光谱表征与动力学过程。图2：3.1nm CdSe QD-AZ体系磁场效应的观测及动力学分析。图4：通过改变QDs的尺寸和组成对杂化自由基对磁场效应的调控。
结论展望
本研究清晰地展示了量子点-分子杂化自由基对（QD-分子RPs）在磁场调制光化学反应中的“量子优势”。通过调节量子点的大小和组成，能够轻松调节对光化学三线态生成的强磁场效应（MFE），为相干控制涉及三线态物种的分子光电子器件性能提供了新的途径。此外，量子点-分子杂化自由基对可能成为一个重要平台，将分子量子科学与固态量子平台相结合，为新型量子处理和传感技术提供支持。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
