1 工作简介

         ——量子点相干调控三线态光化学

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量子相干过程。该转换过程可以通过施加外磁场进行调控，在自旋化学、量子生物学、量子传感等领域备受关注。比如，研究人员曾指出鸟类迁徙导航就巧妙利用了自由基对的磁场效应。受此启发，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，且很难获得普适性的调控规律。

中国科学院大连化学物理研究所吴凯丰研究员团队长期致力于量子点超快光物理与光化学研究。在光物理领域，团队系统研究了量子点在（近）室温下的量子相干效应（Nat. Mater.，2022；Nat. Nanotechnol.，2023； Nat. Photonics，2024），受邀综述了这些相干效应及潜在应用（Nat. Mater. 2024；Nat. Nanotechnol. 2023）；在光化学领域，深入揭示了量子点到有机分子的三线态传能机制，在此基础上实现了高效率的近红外上转换与光合成（Nat. Photonics 2023）。这些前期工作为构建量子点-分子杂化自由基对，并基于其量子相干特性调控三线态光化学过程奠定了基础。原则上，该类杂化自由基应当具有其独特的“量子优越性”，这是因为量子点的朗德g因子可以通过组分和限域效应在大范围调节，从而与有机分子构成较大且可调的Δg，产生可观的磁场效应。此外，量子点与分子之间的交换耦合强度也可以通过限域效应实现定量调控。

本工作中，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量子相干行为。不同于人工制备的纯有机自由基对（Δg 约为 0.001-0.01），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 在0.1-1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，研究团队基于低温强磁超快光谱技术直接观测到了自由基对在不同自旋量子态间的相干拍频。得益于快速的量子拍频，团队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。2 T磁场下的三线态产率较0 T下产率的提升程度高达400%。更进一步，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。

总结而言，该工作提出了量子点-有机分子杂化自由基对的概念，并在国际上首次直接观测到自由基对的量子相干特性。清晰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。这种可以通过调节量子点尺寸和组分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存在巨大的应用潜力。

该工作以“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”为题，发表在《自然·材料》（Nature Materials）上。论文的第一作者是大连化物所刘萌博士和朱井义副研究员，通讯作者是大连化物所吴凯丰研究员。

Nature Materials同期刊发了英国牛津大学Peter J. Hore教授（自旋化学领军人物、英国皇家学会院士）的专题评述，评价该工作是“自由基对机制提出55年以来，罕见地直接揭示了其自旋动力学的量子特性”，“毫无疑问在量子传感等方向中将有更多有趣的应用”。

2 主要作者简介

第一作者

刘萌，2024年获中国科学院大连化物所博士学位。

导师为吴凯丰研究员，主要以超快光谱技术研究胶体量子点的自旋动力学与光化学与应用。迄今以第一作者身份在Nature Mater.、Chem、 Angew. Chem. Int.Ed.等刊物发表系列学术论文。获得研究生国家奖学金、中国科学院院长优秀奖等。

第一作者

朱井义，中国科学院大连化物所副研究员。

2008年获中国科学院大连化学物理研究所博士学位，2008年至2014年间分别在在以色列、荷兰、美国做博士后。从事溶液相生物功能蛋白超快光谱研究。2015到2021年任职德国科隆大学应用物理研究所高级科学家（senior scientist），负责超快光谱实验平台和光学实验室设计搭建，研究低纬度量子材料光学响应及基本激发态动力学。2021年回国，加入大连化学物理研究光电材料研究团队，目前主要从事超快光谱实验仪器搭建、数据模拟和量子点材料非平衡动力学光学调控实验等工作，共计发表SCI论文50余篇。

通讯作者

吴凯丰，中国科学院大连化学物理研究所研究员、研究组长。

2010年获中国科大学士学位，2015年获美国埃默里大学化学博士学位，之后在美国洛斯阿拉莫斯国家实验室开展博士后研究，2017年5月加入大连化物所。入选新基石研究员项目（2025）、国家重大人才专项（2022）和国家海外引才青年项目（2017）。担任Chin. J. Struct. Chem.副主编及ACS Energy Lett.、J. Phys. Chem. Lett.编委等；兼任全国青联委员、辽宁省青联常务委员和共青团大连市委副书记等。主要研究量子点等低维材料的激子、载流子与自旋超快动力学及其在新型能源、量子和发光技术中的应用。迄今以第一/通讯作者身份发表Science、Nat. Mater.（4篇）、Nat. Nanotechnol.（4篇）、Nat. Photonics（3篇）、Nat. Energy 、Nat. Commun./Sci. Adv. （11篇）、JACS/Angew/Chem/AM（40余篇）等。曾获得科学探索奖、中国科学院青年科学家奖、中国科学院青年五四奖章、中国化学会青年化学奖、美国化学会Victor LaMer奖、日本化学会杰出讲座奖、美国物理学会Future of Chemical Physics奖等。

3 原文传递

https://www.nature.com/articles/s41563-024-02061-1