量子点增强自由基对中的自旋化学

胶体量子点（QD）构成了一个探索各种量子效应的平台。它们与尺寸相关的颜色本质上是量子限制效应的肉眼、环境条件可视化

近年来，利用量子点的材料平台观察到了更多奇特的量子效应，如单光子发射、自旋相干性和激子相干性。与其他固态量子平台相比，这些量子点的美妙之处在于，量子点可以像分子一样在溶液中处理，这使得它们的表面可以用有机分子进行功能化，以驱动各种光化学过程

胶体量子点同时具有维持强大的室温自旋量子相干性和从事光化学的能力，这激发了中国科学院大连化学物理研究所的吴凯峰教授及其团队探索一个高度跨学科的领域——利用量子点的量子相干性来控制光化学反应

这一想法与量子生物学的一个引人入胜的例子密切相关，在这个例子中，迁徙动物被认为利用地球磁场相干调节光生自由基对的自旋三重态复合产率，随后触发导航的感官信号级联

在《自然材料》发表的一项研究中，吴教授的团队报告了由胶体量子点及其表面锚定分子制备的杂化自由基对，并证明了杂化自由基配对三重态光化学量子相干控制的独特“量子优势”

与纯有机自由基对不同，其特征是一对具有相似兰德格因子的电子，因此Δg较小（0.001-0.01），混合自由基对的Δg较大（0.1-1），加上量子点的量子限制所实现的强交换耦合，可以直接观察到自由基对自旋量子拍，这通常隐藏在之前的研究中

利用这种快速的量子跳动，研究人员证明了对三重态复合动力学的强磁场控制，在1.9 T时三重态产率的调制水平达到400%。此外，磁场效应可以通过量子点的大小和组成很容易地调节，这比以前的纯有机自由基对具有无与伦比的优势

吴教授说：“本研究报告的量子点分子杂化自由基对及其强可调磁场效应将通过借鉴半导体自旋物理学的基本原理，对分子和杂化无机/有机光电子的自旋控制大有裨益。”

他补充道：“混合自由基对可能构成一个独特的材料平台，将新兴的分子量子科学领域与固态量子平台融合在一起，以实现许多新的量子信息技术。” More information: Meng Liu et al, Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids, Nature Materials (2025). DOI: 10.1038/s41563-024-02061-1

Journal information: Nature Materials