研究实现三线态光化学过程的量子相干调控

研究示意图。中国科学院大连化学物理研究所供图

中国科学院大连化学物理研究所研究员吴凯丰与副研究员朱井义团队直接观测到量子点-有机分子构成的杂化自由基对的量子相干特性，并实现了三线态光化学产率的高效磁场相干调控。1月6日，相关研究成果发表于《自然-材料》。

光致电荷分离之后会生成两个自旋关联的自由基，它们被称为自由基对。自由基对具有单线态和三线态自旋构型，它们之间的相互转换是一个真正意义上的量子相干过程。更重要的是，该转换过程可以通过施加外磁场进行调控。这种磁场效应在自旋化学、量子生物学、量子传感等领域备受关注。有机分子构成的自由基对的磁场效应被广泛研究，然而，其磁场效应普遍较弱，很难获得普适性的调控规律。

该工作中，研究团队构建了II-VI族量子点-茜素分子杂化体系，并基于磁场调制的飞秒瞬态吸收光谱及量子动力学理论模拟，系统揭示了杂化自由基对三线态复合动力学的相干行为。不同于人工制备的纯有机自由基对，在量子点-分子杂化体系中，通过调节量子点的尺寸与组成，可以实现Δg（g-因子差异）在0.1至1之间的大范围调控，比有机体系高出两个数量级。在巨大Δg的作用下，研究团队直接观测到了自由基对在不同自旋量子态间的相干拍频，并在室温下实现了自由基对三线态复合动力学的高效磁场调控。在进一步研究中，团队将磁场效应与稳态光化学反应相耦合，实现了β-胡萝卜光化学异构化反应的磁场调控。理论模拟结果、磁场调制的瞬态动力学、稳态光化学反应速率三者高度一致，印证了磁场相干调控的可靠性。

这项工作阐明了杂化自由基对在光化学反应中的“量子优越性”，借助这种优越性实现了光化学三线态过程的高效磁场调控。这种通过调节量子点尺寸和组成就能轻易调控的磁场效应，不仅为自旋化学提供了新的研究方向，在新兴的量子传感、仿生量子生物学等领域也具有应用潜力。

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41563-024-02061-1