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又帥又牛!他,「國家高層次青年人才」,博士畢業(yè)2年即任博導(dǎo),半年內(nèi)第四篇Nature大子刊!

研究背景
光致電荷分離之后會生成兩個自旋關(guān)聯(lián)的自由基,它們被稱為自由基對(RPs)。自由基對具有單線態(tài)和三線態(tài)自旋構(gòu)型,它們之間的相互轉(zhuǎn)換是一個真正意義上的量子相干過程。更重要的是,該轉(zhuǎn)換過程可以通過施加外磁場進行調(diào)控。當(dāng)對自由基對施加外磁場后,體系發(fā)生的物理過程往往涉及多種復(fù)雜相互作用,包含外磁場塞曼效應(yīng)、自旋交換相互作用、偶極相互作用、電子-原子核的超精細(xì)相互作用等。這種磁場效應(yīng)在自旋化學(xué)、量子生物學(xué)、量子傳感等領(lǐng)域備受關(guān)注。
研究人員曾指出磁場效應(yīng)在動物導(dǎo)航中的重要作用,比如,遷徙動物利用地磁場對體內(nèi)光生自由基對的三線態(tài)復(fù)合產(chǎn)率進行相干調(diào)節(jié),繼而觸發(fā)傳感信號級聯(lián)過程,實現(xiàn)精準(zhǔn)導(dǎo)航。受此啟發(fā),有機分子構(gòu)成的自由基對的磁場效應(yīng)被廣泛研究,然而其磁場效應(yīng)普遍較弱,且很難獲得普適性的調(diào)控規(guī)律。
成果簡介
又帥又牛!他,「國家高層次青年人才」,博士畢業(yè)2年即任博導(dǎo),半年內(nèi)第四篇Nature大子刊!
針對以上問題,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所吳凱豐研究員與朱井義副研究員團隊直接觀測到量子點-有機分子構(gòu)成的雜化自由基對的量子相干特性,并實現(xiàn)了三線態(tài)光化學(xué)產(chǎn)率的高效磁場相干調(diào)控。
研究團隊通過構(gòu)建II-VI族量子點-茜素分子雜化體系,并基于磁場調(diào)制的飛秒瞬態(tài)吸收光譜及量子動力學(xué)理論模擬,系統(tǒng)揭示了雜化自由基對三線態(tài)復(fù)合動力學(xué)的相干行為。相關(guān)成果以“Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids”為題發(fā)表在最新一期的Nature Materials上。
值得注意的是,吳凱豐老師半年內(nèi)已發(fā)表4篇Nature大子刊,質(zhì)量極高!
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2024年7月1日,大連化物所吳凱豐教授等人發(fā)表關(guān)于膠體鈣鈦礦量子點中的量子相干現(xiàn)象與動力學(xué)光學(xué)調(diào)控的綜述文章。該綜述系統(tǒng)總結(jié)了鈣鈦礦量子點在量子光源和自旋量子比特載體等領(lǐng)域取得的研究進展,詳細(xì)論述了近期開展的光學(xué)測量與調(diào)控的原理與方案,并展望了基于該材料平臺的量子信息技術(shù)在實用化進程中面臨的挑戰(zhàn)和機遇。
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2024年8月13日,大連化物所吳凱豐教授等人在室溫下利用飛秒可見光脈沖驅(qū)動膠體量子阱,觀測到了近紅外波段的弗洛凱態(tài)光譜特征,并在時域上獲得了弗洛凱態(tài)通過退相干轉(zhuǎn)變?yōu)槠胶馕镔|(zhì)態(tài)的動力學(xué)演化過程。
又帥又牛!他,「國家高層次青年人才」,博士畢業(yè)2年即任博導(dǎo),半年內(nèi)第四篇Nature大子刊!
2024年11月1日,大連化物所吳凱豐教授和楊陽教授等人利用ZnSe-ZnS核殼量子點的優(yōu)異特性,成功實現(xiàn)了可調(diào)控且穩(wěn)定性優(yōu)異的藍(lán)光激光,克服了傳統(tǒng)量子點激光中因鎘和鉛等有毒金屬限制其應(yīng)用的問題。
圖文導(dǎo)讀
該項工作引入了基于CdSe(S) 量子點(QD)-茜素分子(AZ)雜化體系的自旋關(guān)聯(lián)自由基對(RPs),并系統(tǒng)地研究了該自由基對在磁場中經(jīng)歷的光物理過程。不同于人工制備的純有機自由基對(Δg約為0.001~0.01),在量子點-分子雜化體系中,通過調(diào)節(jié)量子點的尺寸與組成,可以實現(xiàn)Δg在0.1~1之間的大范圍調(diào)控,比有機體系高出兩個數(shù)量級。在巨大 Δg 的作用下,研究團隊直接觀測到了自由基對在不同自旋量子態(tài)間的相干拍頻。
得益于快速的量子拍頻,該項工作在室溫下實現(xiàn)了自由基對三線態(tài)復(fù)合動力學(xué)的高效磁場調(diào)控。2T磁場下的三線態(tài)產(chǎn)率較0T下產(chǎn)率的提升程度高達(dá)400%。進一步地,團隊將磁場效應(yīng)與穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)相耦合,實現(xiàn)了β-胡蘿卜光化學(xué)異構(gòu)化反應(yīng)的磁場調(diào)控。理論模擬結(jié)果、磁場調(diào)制的瞬態(tài)動力學(xué)、穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)速率三者高度一致,印證了磁場相干調(diào)控的可靠性。
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圖1 材料和原理
雜化材料由不同大小的II-VI族CdSe或CdS量子點(QD)和茜素(AZ)分子構(gòu)建而成。CdSe(S) QD與表面結(jié)合的AZ分子形成交錯的能級排列。光激發(fā)分子后,生成1AZ*。伴隨著電子由AZ的LUMO向QD導(dǎo)帶的轉(zhuǎn)移,1[QD-AZ+]形成。受到外磁場的擾動,1[QD-AZ+]不再是定態(tài),將與3[QD-AZ+]之間發(fā)生相互轉(zhuǎn)化。遵循Wigner-Witmer規(guī)則,1[QD-AZ+]將以速率kS復(fù)合回到基態(tài)(QD-AZ),3[QD-AZ+]將以速率kT復(fù)合生成分子三線態(tài) (QD-3AZ*)。這一自由基對之間的自旋量子拍頻也會導(dǎo)致這兩個光化學(xué)路徑之間的相互轉(zhuǎn)換。通過對體系的kS?、kT、兩個量子態(tài)之間拍頻的頻率進行調(diào)制,可以實現(xiàn)對光化學(xué)活性產(chǎn)物QD-3AZ*的生成速率與產(chǎn)率的相干調(diào)控。
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圖2 強磁場效應(yīng)對瞬態(tài)動力學(xué)和三重態(tài)產(chǎn)率影響的觀測
QD-AZ RPs和瞬態(tài)磁場效應(yīng):在3.1 nm QD-AZ雜化體系中,隨著磁場的增加,體系中電荷復(fù)合動力學(xué)顯著加快,相應(yīng)地,分子三線態(tài)3AZ*信號也愈發(fā)明顯。得益于快速的量子拍頻,該項工作在室溫下實現(xiàn)了自由基對三線態(tài)復(fù)合動力學(xué)的高效磁場調(diào)控。若以三線態(tài)復(fù)合產(chǎn)率來衡量QD-AZ雜化體系中的磁場效應(yīng),2T磁場下的三線態(tài)產(chǎn)率較0T下產(chǎn)率的提升程度高達(dá)400%。
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圖3 RPs自旋量子拍頻的理論模擬及實驗觀測
自旋量子拍頻的動力學(xué)模擬與讀出:基于Liouville–von Neumann方程,團隊建立的量子動力學(xué)模型不僅可以定量描述上述磁場依賴的動力學(xué)過程,還預(yù)測了單線態(tài)與三線態(tài)自旋態(tài)之間的相干量子拍頻。更高的磁場強度、更長的相干時間、更快的電子轉(zhuǎn)移速率均有利于拍頻信號的讀出。在量子動力學(xué)模型的指導(dǎo)下,在瞬態(tài)吸收測試中可以直接觀測到QD-AZ自由基對中的量子拍頻。這不僅證明了量子動力學(xué)模型的準(zhǔn)確性,也證實了這一體系的量子相干過程。
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圖4 通過量子點大小和組成調(diào)控磁場效應(yīng)
基于量子點大小和組成的磁場效應(yīng)調(diào)控:相比于純有機自由基對,QD-AZ雜化自由基對可以通過對QDs尺寸、組成的調(diào)節(jié),實現(xiàn)雜化自由基對中Δg和2J的大范圍調(diào)控,進而實現(xiàn)磁場效應(yīng)的相干調(diào)控。利用磁場調(diào)制的瞬態(tài)吸收光譜,團隊對一系列尺寸的CdSe(S) QD-AZ的磁場效應(yīng)開展了系統(tǒng)測試。磁場依賴的電荷復(fù)合速率呈現(xiàn)出明顯的隨QDs尺寸、組成變化的依賴關(guān)系。
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圖5 磁場對穩(wěn)態(tài)光化學(xué)異構(gòu)化反應(yīng)的控制
穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)的磁場效應(yīng)調(diào)控:研究團隊構(gòu)建了QD-AZ//β-胡蘿卜素光反應(yīng)體系,利用雜化自由基對的磁場效應(yīng)驅(qū)動穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng),實現(xiàn)了穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)的磁場調(diào)控,也實現(xiàn)了理論模擬結(jié)果、磁場調(diào)制的瞬態(tài)動力學(xué)與三線態(tài)產(chǎn)率、穩(wěn)態(tài)光化學(xué)反應(yīng)速率三者的有機統(tǒng)一。
總結(jié)展望
該工作清晰闡明了雜化自由基對在光化學(xué)反應(yīng)中的“量子優(yōu)越性”,借助這種優(yōu)越性實現(xiàn)了光化學(xué)三線態(tài)過程的高效磁場調(diào)控。這種可以通過調(diào)節(jié)量子點尺寸和組分就能輕易調(diào)控的磁場效應(yīng),不僅為自旋化學(xué)提供了新的研究方向,在新興的量子傳感、仿生量子生物學(xué)等領(lǐng)域也存在廣闊的應(yīng)用潛力。
作者簡介

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吳凱豐,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員、博士生導(dǎo)師、研究組長。2010年獲中國科大學(xué)士學(xué)位,2015年獲美國埃默里大學(xué)化學(xué)博士學(xué)位,之后在美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室開展博士后研究,2017年5月加入中國科學(xué)院大連化物所,入選多個國家高層次人才專項。擔(dān)任J. Phys. Chem. Lett.、ACS Energy Lett.等國內(nèi)外期刊編委。主要研究領(lǐng)域是量子點等低維材料的激子、載流子與自旋超快動力學(xué)及其在新型能源、量子和發(fā)光技術(shù)中的應(yīng)用。
迄今以第一/通訊作者身份在Science、Nature Mater.、Nature Nanotechnol.、Nature Photonics、Nature Energy、Nature Commun.、JACS/Angew/Chem/AM等刊物發(fā)表學(xué)術(shù)論文。
文獻信息
Meng Liu, Jingyi Zhu, Guohui Zhao, Yuxuan Li, Yupeng Yang, Kaimin Gao & Kaifeng Wu*, Coherent manipulation of photochemical spin-triplet formation in quantum dot–molecule hybrids, Nature Materials (2025),?

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